|
|
больше ...
Термины запроса в документе
Реферат
[RU] Резонаторный микроэлектронный гироскоп, предпочтительно гироскоп микроэлектромеханической системы (МЭМС), содержит первую и вторую резонаторные массы (1, 2), подвешенные с возможностью поворотной вибрации. Эти две массы (1, 2) упруго соединены посредством четырех механических соединительных элементов (4, 5, 6, 7) с возможностью противофазной вибрации. На каждой резонаторной массе (1, 2) есть по меньшей мере один положительный и по меньшей мере один отрицательный чувствительный электрод (S11+, S11-, S21+, S21-) для детекции выходного внеплоскостного движения этих масс (1, 2). К упомянутым положительному и отрицательному чувствительным электродам подсоединена схема детекции, и она определяет выходной сигнал посредством дифференциальной детекции сигналов на основе следующей формулы: Sx out =({S21+} - μ{S11+})-({S21-}- μ{S11-}), где {S21+}, {S21-} - сигналы чувствительных электродов положительного и отрицательного детектирующих электродов соответственно второй массы, {S11+}, {S11-} - сигналы чувствительных электродов положительного и отрицательного детектирующих электродов соответственно первой массы, а μ - коэффициент компенсации. 
Полный текст патента
(57) Реферат / Формула:
Резонаторный микроэлектронный гироскоп, предпочтительно гироскоп микроэлектромеханической системы (МЭМС), содержит первую и вторую резонаторные массы (1, 2), подвешенные с возможностью поворотной вибрации. Эти две массы (1, 2) упруго соединены посредством четырех механических соединительных элементов (4, 5, 6, 7) с возможностью противофазной вибрации. На каждой резонаторной массе (1, 2) есть по меньшей мере один положительный и по меньшей мере один отрицательный чувствительный электрод (S11+, S11-, S21+, S21-) для детекции выходного внеплоскостного движения этих масс (1, 2). К упомянутым положительному и отрицательному чувствительным электродам подсоединена схема детекции, и она определяет выходной сигнал посредством дифференциальной детекции сигналов на основе следующей формулы: Sx out =({S21+} - μ{S11+})-({S21-}- μ{S11-}), где {S21+}, {S21-} - сигналы чувствительных электродов положительного и отрицательного детектирующих электродов соответственно второй массы, {S11+}, {S11-} - сигналы чувствительных электродов положительного и отрицательного детектирующих электродов соответственно первой массы, а μ - коэффициент компенсации.
Евразийское (21) 201490658 (13) Al
патентное
ведомство
(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ЕВРАЗИЙСКОЙ ЗАЯВКЕ
(43) Дата публикации заявки (51) Int. Cl. G01C19/5712 (2012.01)
2014.06.30
(22) Дата подачи заявки 2012.09.20
(54) МИКРОЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЕ ГИРОСКОПИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО
(31) EP11290426.3
(32) 2011.09.21
(33) EP
(71)
(72) (74)
(34) PCT/IB2012/001984
(35) WO 2013/041959 2013.03.28
Заявитель:
ТРОНИКС МАЙКРОСИСТЕМЗ С.А. (FR)
Изобретатель: Леклерк Жак (FR)
Представитель: Медведев В.Н. (RU) (57) Резонаторный микроэлектронный гироскоп, предпочтительно гироскоп микроэлектромеханической системы (МЭМС), содержит первую и вторую резонаторные массы (1, 2), подвешенные с возможностью поворотной вибрации. Эти две массы (1, 2) упруго соединены посредством четырех механических соединительных элементов (4, 5, 6, 7) с возможностью противофазной вибрации. На каждой резонаторной массе (1, 2) есть по меньшей мере один положительный и по меньшей мере один отрицательный чувствительный электрод (S11+, S11-, S21+, S21-) для детекции выходного внеплос-костного движения этих масс (1, 2). К упомянутым положительному и отрицательному чувствительным электродам подсоединена схема детекции, и она определяет выходной сигнал посредством дифференциальной детекции сигналов на основе следующей формулы: Sxout=({S21+}|i{S11+})-({S21-}-I{S11-}), где {S21+}, {S21-} - сигналы чувствительных электродов положительного и отрицательного детектирующих электродов соответственно второй массы, {S11+}, {S11-} - сигналы чувствительных электродов положительного и отрицательного детектирующих электродов соответственно первой массы, а JI- коэффициент компенсации.
2420-513919ЕА/026 МИКРОЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЕ ГИРОСКОПИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО
Область техники
Настоящее изобретение относится к способу детекции входного сигнала резонаторного микроэлектронного гироскопа, предпочтительно, гироскопа микроэлектромеханической системы (МЭМС), включающему в себя этапы
a) возбуждения плоскостного вибрационного движения первой и второй резонаторных масс, подвешенных с возможностью поворотной вибрации, и
b) обеспечения противофазной вибрации первой и второй вибрирующих масс посредством по меньшей мере одного механического соединительного элемента, гибко соединяющего первую и вторую резонаторные массы с возможностью противофазной вибрации.
Изобретение относится также к резонаторному
микроэлектронному гироскопу, содержащему:
a) первую и вторую резонаторные массы, подвешенные с возможностью вращательной вибрации,
b) по меньшей мере один механический соединительный элемент, гибко соединяющий первую и вторую резонаторные массы с возможностью противофазной вибрации,
c) по меньшей мере один положительный и по меньшей мере один отрицательный чувствительный электрод на каждой резонаторной массе для детекции выходного внеплоскостного движения масс.
d) схему детекции, подсоединенную к упомянутым
положительному и отрицательному чувствительным электродам.
Под термином "гироскоп" имеется в виду общий термин, который включает в себя гироскоп, который измеряет углы, а также гироскоп скорости разворота, который измеряет угловые скорости.
Современный уровень техники
Существует широкий диапазон МЭМС-устройств для детекции угловых скоростей, например, по патенту США № 5329815 (комп.
"Motorola"), по патенту США № 5025346 (Калифорнийский унив.), по европейскому патенту ЕР 0623807 (комп. GM) и по патенту США № 5377544 (комп. "Motorola").
Патент США 7624494 Чаллонера (Challoner) и др. раскрывает инерциальный датчик, который включает в себя среднемасштабный дисковый резонатор, выполненный из микрообработанной пластины с низким коэффициентом теплового расширения для восприятия по существу плоскостной вибрации. Жесткая опора соединена с резонатором в центральной установочной точке резонатора посредством радиальных элементов подвески. Во внутренней части резонатора находится возбуждающий электрод, предназначенный для возбуждения внутренней плоскостной вибрации резонатора. Для восприятия внутренней плоскостной вибрации резонатора используется по меньшей мере один чувствительный электрод во внутренней части резонатора.
Патент США 6062082 Гуэнтера (Guenther) и др. раскрывает датчик скорости кориолисового разворота, имеющий качающуюся конструкцию, которая подвижно подвешена на опоре (основании) и под воздействием эффекта ускорения может быть отклонена. Датчик, кроме того, имеет приспособление для создания плоскостного поворотного колебательного движения качающейся конструкции. Имеется "оценочное устройство" для детекции отклонения качающейся конструкции, которое обусловлено кориолисовым ускорением. Качающаяся конструкция подвешена таким образом, чтобы совершать плоскостные поворотные колебательные движения. Проблема этой конструкции заключается в том, что во время качания подвижной массы возникает результирующая реактивная сила, действующая на пластину основания.
Патент США 6629460 Чаллонера (Challoner) раскрывает резонаторный гироскоп, содержащий резонатор, включающий в себя два тела, каждое с центром масс и поперечной инерциальной симметрией относительно оси, которые по существу совпадают, и каждое из которых поддерживается одним или большим количеством упругих элементов. Эти тела совместно образуют две дифференциальные моды вибрации качания, поперечной оси с по существу равными частотами. Когда резонатор возбужден, эти два
тела по существу не передают пластине основания никакого результирующего импульса. Гироскоп дополнительно включает в себя пластину основания, прикрепленную к резонатору посредством одного или большего количества упругих элементов.
Устройства предшествующего уровня техники не являются удовлетворительными с точки зрения измерения подавляющих возмущений. Существует потребность в меньших влияниях окружения на измерения для обеспечения большей чувствительности этого устройства.
Сущность изобретения
Задачей настоящего изобретения является создать устройство, относящееся к микроэлектромеханической системе (МЭМС), для детекции поворота, которое имеет низкую чувствительность к термомеханическим эффектам и к возмущающим линейным ускорениям.
В соответствии с настоящим изобретением вышеуказанные цели достигнуты способом, включающим в себя следующие этапы:
a) возбуждение вибрационного плоскостного движения первой и второй резонаторных масс, подвешенных с возможностью поворотной вибрации,
b) обеспечение противофазной вибрации первой и второй резонаторной массы посредством по меньшей мере одного механического соединительного элемента, гибко соединяющего первую и вторую резонаторные массы с возможностью противофазных вибраций.
c) детекция по меньшей мере двух положительных сигналов [S21+], [S11+] чувствительных электродов и по меньшей мере двух отрицательных сигналов [S21-], [S11-] чувствительных электродов по меньшей мере двух положительных и двух отрицательных чувствительных электродов, соответственно, двух резонаторных масс для детекции выходного внеплоскостного движения этих масс.
d) определение по меньшей мере одного выходного сигнала Sxout посредством дифференциальной детекции упомянутых сигналов на основе следующей формулы:
Sxout=({S21+}-|j{Sll+})- ({S21-}-n{Sll-}) ,
где
({S21+}, {S21-} - сигналы чувствительных электродов, соответственно, положительного и отрицательного детектирующих электродов второй массы;
({S11+}, {S11-} - сигналы чувствительных электродов, соответственно, положительного и отрицательного детектирующих электродов первой массы;
\х - коэффициент компенсации.
Дифференциальная детекция по настоящему изобретению исключает (или по крайней мере минимизирует) искажающие эффекты, обусловленные влияниями окружения и действующих в z-направлении ускоряющих сил. Посредством коэффициента компенсации \х можно учесть различие в чувствительности двух масс на данном уровне измеряемого поворота. Различие в чувствительности может проистекать из различных диаметров (то есть, радиального расстояния от оси вибрации) двух масс. Если никакой компенсации не необходимо, то коэффициент компенсации |Li= 1. Если компенсация требуется, то коэффициент компенсации отличен от 1. Обычно коэффициент компенсации находится в диапазоне 0,2-5 и более, предпочтительно, - в диапазоне 0,5-2.
Преимущество изобретения заключается в том, что оно может быть реализовано посредством технологии, которая хорошо отработана. В частности, элементы и цепи для генерации и обработки электрических сигналов, например,
- цепи для активизации вибрационного движения масс,
- цепи для детекции сигналов чувствительных электродов и
- последующие требования к электрическим цепям, опорным сигналам и преобразователям
могут быть подобными тем, которые использовались в обычных МЭМС-гироскопах.
Два выходных сигнала:
Хотя настоящее изобретение можно использовать лишь для одного выходного сигнала, предпочтительно детектировать поворот по двум осям х и у, параллельным плоскости вибрации масс. Это означает, что при этом определяются два выходных сигнала Sxout,
Syout. Более точно, есть дополнительные этапы, а именно:
a) детекция двух дополнительных положительных сигналов [S22+], [S12+] чувствительных электродов и по меньшей мере двух отрицательных сигналов [S22-], [S12-] чувствительных электродов по меньшей мере двух дополнительных положительных и двух отрицательных чувствительных электродов, соответственно, двух упомянутых резонаторных масс для детекции дополнительного выходного внеплоскостного движения этих масс.
b) определение дополнительного выходного сигнала Syout посредством дифференциальной детекции упомянутых дополнительных сигналов на основе следующей формулы:
Syout= ( {S22+}-|j{S12+} ) - ( {S22-}-|j{S12-} ) , где
({S22+}, {S22-} - сигналы чувствительных электродов положительного и отрицательного детектирующих электродов, соответственно, второй массы;
({S12+}, {S12-} - сигналы чувствительных электродов положительного и отрицательного детектирующих электродов, соответственно, первой массы;
\х - коэффициент компенсации.
Коэффициент компенсации является одним и тем же для обоих выходных сигналов.
Кольцеобразный соединительный элемент
Способ по п. 1 или 2, в котором соединительный элемент обеспечен в виде кольцеобразной упругой структуры с радиальными элементами, подсоединяющими эту кольцеобразную структуру к двум массам. Альтернативно, могут быть использованы другие конструкции, такие как Z-образные и S-образные пружинные элементы.
Резонаторный микроэлектронный гироскоп, предпочтительно, гироскоп микроэлектромеханической системы (МЭМС), использующий способ по настоящему изобретению, содержит:
a) первую и вторую резонаторные массы, подвешенные с возможностью поворотной вибрации;
b) по меньшей мере один механический соединительный
элемент, упруго соединяющий первую и вторую резонаторные массы с возможностью противофазной вибрации;
c) по меньшей мере один положительный и по меньшей мере
один отрицательный чувствительный электрод на каждой
резонаторной массе для детекции внеплоскостного движения масс,
d) схему детекции, подсоединенную к упомянутым
положительному и отрицательному чувствительным электродам, и
e) вычислительное устройство, встроенное в схему детекции,
при этом упомянутое вычислительное устройство определяет
выходной сигнал посредством дифференциальной детекции сигналов
на основании упомянутой ранее формулы:
Sxout= (S21+-HS11 + ) - (S21--HS11-) .
Следует заметить, что термин "вычислительное устройство" не следует понимать в ограниченном смысле. Вычислительное устройство в соответствии с настоящим изобретением может быть вычислительным устройством общего назначения, а также специализированной прикладной электронной схемой, которая способна выполнять требуемое дифференцирование сигналов.
В соответствии с предпочтительным вариантом исполнения устройство для определения двух выходных сигналов Sxout, Syout имеет
a) по меньшей мере один дополнительный положительный и по меньшей мере один дополнительный отрицательный чувствительные электроды на каждой резонаторной массе для детекции дополнительного выходного внеплоскостного движения масс,
b) и в нем упомянутые дополнительные положительный и отрицательный чувствительные электроды подсоединены к одной и той же схеме детекции, что и первые чувствительные электроды, и в нем
c) вычислительное устройство в схеме детекции определяет
также дополнительный выходной сигнал посредством
дифференциальной детекции сигналов на основании следующей
формулы (уже упоминалась ранее):
Syout= ( {S22+}-|j{S12+} ) - ( {S22-}-|j{S12-} ) .
Внешняя кольцеобразная масса
В соответствии с предпочтительным вариантом исполнения настоящего изобретения вторая масса имеет форму кольца, а первая масса подвешена концентрично внутри второй массы. Кольцо является замкнутым телом с центральным отверстием для второй массы. Обе массы выполняют поворотную вибрацию вокруг общей геометрической оси. Направление оси вибрации лежит в z-направлении и определено ортогонально к плоскости, в которой имеет место вибрационное движение.
Более предпочтительно, это кольцо имеет форму вращательной симметрии. Обычно - это форма круговой кольцевой пластины. Но можно также использовать кольцо, имеющее полигональную (например, восьмиугольную или квадратную) форму, что требует большей площади на подложке. Вместо использования замкнутого кольца, можно также построить вторую массу более сложной формы (например, имеющую несколько отдельных кольцевых сегментов).
Первая масса круговой формы
Первая масса, которая подвешена внутри второй массы, предпочтительно, имеет форму кругового диска (дискообразная форма). Когда обе массы являются круговыми (диск или кольцо), необходимая на подложке площадь поверхности является минимальной, а симметрия в плоскости вибрации - оптимальной. Это исполнение является наилучшим, когда должны определяться два выходных сигнала Sxout и Syout. Однако внутренняя масса также может иметь форму кольцевой пластины.
Соединительный элемент
Соединительный элемент (или каждый из двух или большего количества соединительных элементов), предпочтительно, зафиксирован на точке крепления и удерживает подвешенными две массы. Поэтому соединительный элемент для каждой из этих масс является элементом подвески. Соединительные элементы и элементы подвески могут быть реализованы посредством двух различных механических структур.
Вообще, по соображениям симметрии каждая масса подвешена на по меньшей мере двух элементах подвески. Предпочтительно, для каждой массы есть четыре элемента подвески. Элементы
подвески являются гибкими и допускают поворотную вибрацию массы в плоскости XY (плоскость, параллельная подложке устройства). Кроме того, они являются упругими и допускают внеплоскостные качания массы (в зависимости от приложенной силы Кориолиса).
Механический соединительный элемент построен таким образом, чтобы могла производиться противофазная вибрация масс. Синфазные вибрации этим соединительным элементом должны быть сдемпфированы или подавлены. Это достигнуто, например, посредством перемычки, которая жестко соединена на каждом из своих концов с каждой из двух масс, и которая в своем центре (или, вообще говоря, в своей средней части) соединена с выступом крепления на подложке таким образом, чтобы действующая в плоскости изгибающая сила (оказываемая вибрирующей внутренней массой на соединительный элемент) может быть передана или распространена через крепление от одного конца перемычки на ее другой конец (на внешнюю массу). Крепление
Предпочтительно, каждое из упомянутых креплений расположено в свободном пространстве между двумя массами и поддерживает соединительный элемент в средней области. Когда используются несколько (например, четыре) отдельных соединительных элементов, это означает, что для каждой соединительной перемычки может быть одна единственная точка крепления. Точки крепления разных креплений могут быть упорядочены на окружности на одинаковых угловых расстояниях одна от другой. Для каждого из соединительных элементов можно также иметь две отдельные точки крепления.
Форма соединительных элементов
Существует множество конструкций, которые могут быть использованы для устройства соединительных элементов. Когда расстояние между двумя массами достаточно велико для обеспечения требуемой упругости элементов, эти соединительные элементы могут быть прямыми перемычками. Соединительный элемент, предпочтительно, является искривленным. В этом случае он может иметь Z-образную или S-образную форму. Однако он может иметь также и более сложную форму. Соединительный элемент также
может иметь центральную часть, которая является прямой, и две концевые части, которые имеют форму вилки, причем, два зубца вилки являются соединеными с массами (имеют Y-образную форму).
В соответствии со следующим вариантом соединительный элемент имеет форму эластичной структуры в виде кольца, с радиальными перемычками, соединяющими эту кольцеобразную структуру с двумя массами. Поэтому вместо нескольких отдельных соединительных элементов имеется только один (сложный) соединительный элемент. Он имеет то преимущество, что значительно благоприятствует противофазному режиму вибрации масс, а при этом другие моды плоскостной вибрации подавляются.
Радиальные перемычки могут быть прямыми или искривленными. Они могут также иметь форму вилки, причем, зубцы вилки подсоединены к одной из масс.
Эластичная кольцеобразная структура может быть зафиксирована на, по меньшей мере, трех, предпочтительно, на четырех выступах крепления. Когда массы вибрируют, кольцо между выступами крепления может отклоняться от своей круговой формы. Эта кольцеобразная структура соединена с двумя массами, например, посредством радиально продолжающихся перемычек (относительно центра кольца). Точки соединения перемычек с эластичной кольцеобразной структурой смещены в угловом направлении относительно точек крепления кольцеобразной структуры. Точки соединения могут находиться в середине между двумя соседними точками крепления.
Электроды
Если смотреть из центра масс, то положительные чувствительные электроды этих двух масс находятся в одном и том же секторе (например, в одной и той же четверти) . Аналогичным же образом, в общем секторе расположены отрицательные чувствительные электроды (например, в четверти, смещенной относительно четверти положительных чувствительных электродов). В каждом случае чувствительные электроды определяют емкость, которая изменяется в зависимости от внеплоскостного движения масс. Один электродный слой выполнен на главной поверхности вибрирующей массы, а другой электродный слой может находиться
на фиксированном элементе над и напротив движущегося электрода.
Для каждой из двух масс может быть четыре пары чувствительных электродов (два положительных и два отрицательных чувствительных электрода). Однако может быть меньше или больше (например, б) электродных пар (при детекции кориолисова поворота только по одной оси).
Геометрия подвижной массы
Геометрия подвижной массы выбрана таким образом, что вынужденная частота вибрации внутренней массы и внешней массы является одинаковой. Когда на две вибрирующие массы воздействует определенное кориолисово ускорение, они обычно будут реагировать с различными внеплоскостными амплитудами. (Заметим, что кориолисово ускорение создается угловой скоростью). Предпочтительно принять меры к тому, чтобы эти амплитуды были не слишком сильно различными.
Одной предпочтительной мерой является построение элементов подвески внутренней массы иным образом, чем элементов подвески внешней массы, так чтобы внутренняя масса имела по существу то же самое выходное отклонение, что и внешняя масса.
Другой мерой является подвеска внутренней массы таким образом, чтобы она имела более высокую амплитуду плоскостной вибрации, чем внешняя масса, так чтобы, в конечном счете, амплитуды внеплоскостных качаний двух масс были одной и той же (или, по крайней мере, сходной) величины.
Средство возбуждения
Вибрация подвижных масс генерируется электродами возбуждения. Они могут иметь гребнеобразную структуру. "Пальцы гребня" могут быть ориентированы параллельно направлению движения. Такие структуры электродов в предшествующем уровне техники известны. Например, ориентированные по окружности электроды возбуждения по настоящему изобретению могут иметь конструкцию, которая показана на фиг. 5, б, 10 в патенте США № 5025346 (Калифорнийский унив.). Если внутри круговой кольцеобразной внешней массы расположена круговая дискообразная внутренняя масса, то электроды возбуждения, предпочтительно, упорядочены в радиальном пространстве между этими двумя
массами. Можно также расположить электроды возбуждения внешней массы на внешней периферии внешней массы. Более того, если масса не является замкнутым кольцом, электроды возбуждения могут быть также расположены в радиальном диапазоне этой массы, то есть, в кольцевой области, которая в определенной степени занята подвижной массой. Приведенные в начале описания в качестве ссылок устройства предшествующего уровня техники показывают различные варианты исполнения электродов возбуждения. Такие структуры также могут быть использованы для настоящего изобретения.
Следует заметить, что из-за различной радиальной протяженности внутренней и внешней масс тангенциальные скорости внешних поверхностей масс являются разными, и, как следствие, разными являются кориолисовы ускорения. Для компенсации этой разницы между чувствительными электродами внешней и внутренней масс введено различное усиление. Альтернативно, управление возбуждением может быть сделано таким, чтобы амплитуды вибраций масс были различными, такими, чтобы тангенциальные скорости стали равными.
Геометрия подвижной массы выбрана таким образом, чтобы вынужденная частота вибрации внутренней массы и внешней массы была одной и той же.
Краткое описание чертежей
Сопроводительные чертежи дополнительно иллюстрируют изобретение и в комбинации с подробным описанием предназначены для пояснения предпочтительных вариантов исполнения.
Фиг. 1 - схематичный вид сверху устройства с двумя концентрическими подвижными массами, расположенными одна в другой.
Фиг. 2 - схематичное поперечное сечение устройства по фиг. 1 во время воздействия не него кориолисова ускорения.
Фиг. 3 - схематичное поперечное сечение устройства по фиг. 1 при воздействии не него линейного ускорения по оси Z.
Фиг. 4 - схематичный вид сверху соединительной структуры.
Фиг. 5 - условная схема цепи управления и детекции.
Вообще говоря, одинаковые позиционные обозначения
относятся к идентичным частям устройства. Предпочтительные варианты исполнения
Фиг. 1 иллюстрирует предпочтительный вариант исполнения изобретения. Присутствует первая подвижная масса 1, и вторая подвижная масса 2. Первая подвижная масса 1 является по существу круговым диском. В настоящем варианте исполнения этот диск имеет в центре отверстие 3. Радиус R1 кругового диска может быть в диапазоне от 0,1 мм до 3 мм. Вторая масса 2 -кольцеобразной формы и окружает первую массу 1. Внутренний радиус R4 второй массы может быть в диапазоне от 0,12 мм до 4 мм, а внешний радиус R5 может быть примерно от 0,2 мм до б мм. Вторая масса 2 полностью окружает первую массу 1.
Эти две массы механически соединены посредством четырех Z-образных соединительных элементов 4, 5, б, 7. Все они одинаковые. Поэтому нижеследующее описание приводится только со ссылками на соединительный элемент 4.
Соединительный элемент 4 опирается на выступ 8.1 (точка крепления) подложки. Выступ 8.1 для соединительного элемента 4 действует как точечный элемент фиксации. Он поддерживает соединительный элемент 4 в центре этого соединительного элемента 4 на некотором расстоянии над подложкой. Первый конец 4.1 соединительного элемента 4 прикреплен к внутренней массе 1, а второй конец 4.2 прикреплен к внешней массе 2. Когда внутренняя масса 1 смещена от своего положения покоя по часовой стрелке, соединительный элемент 4 изогнут и передает момент вращения на внешнюю массу 2, который поворачивает эту внешнюю массу 2 против часовой стрелки. Это означает, что две массы механически связаны таким образом, что совершают плоскостные противофазные вибрации.
Поскольку соединительный элемент зафиксирован на выступе 8.1, он выполняет также функцию упругой поддержки масс 1, 2. Таким образом, эти массы могут совершать вибрационные движения вокруг центра С двух масс 1, 2. Два конца 4.1, 4.2 соединительного элемента 4 подобны пружинам, позволяя массам 1, 2 совершать плоскостные повороты и внеплоскостные качания.
Z-образный соединительный элемент 4 представляет собой
изогнутую перемычку с длиной L, которая длиннее, чем радиальное пространство 9.1 между этими массами (L> R4-R1). Длина каждой одной части (между выступом 8.1 и, соответственно, точкой подсоединения к внутренней и к внешней массе 1, 2) может быть в 1-1,5 раза больше радиальной протяженности радиального пространства 9.1. Поэтому упругость плечей Z-образного соединительного элемента можно адаптировать в достаточно широком диапазоне, так чтобы управлять амплитудами масс 1, 2 в плоскости XY и вне плоскости XY. Два конца 4.1, 4.2 могут иметь одну и ту же или различные формы и длины, а фиксирующий выступ 8.1 может быть смещен от центра Z-образного соединительного элемента 4. Поперечное сечение соединительного элемента, предпочтительно, постоянно вдоль длины изогнутой перемычки. Однако он также может изменяться, чтобы сделать одно из плеч более жестким, чем другое.
Для каждой массы 1, 2 существуют четыре структуры электродов возбуждения: А11+, All-, А12+, А12- - для первой массы 1, и А21 + , А21-, А22 + , А22- - для второй массы 2. Их положение симметрично относительно осей х и у. В настоящем варианте исполнения структуры А12+, А12- и А22+, А22-электродов возбуждения выставлены вдоль оси х, в то время как другие структуры электродов возбуждения выставлены вдоль оси у. Структуры А11+, All-, А12+, А12- электродов возбуждения внутренней массы 1 упорядочены по внешней периферии внутренней массы 1, а именно - в радиальном диапазоне между R1 и R2. А структуры А21+, А21-, А22+, А22- электродов возбуждения внешней массы 2 упорядочены по внутренней периферии кольцеобразной внешней массы 2, а именно - в радиальном диапазоне между R3 и R4. (Можно также рассматривать электроды возбуждения для внешней массы по внешней периферии, а электроды для внутренней массы могут находиться во внутренней центральной части). В азимутальном направлении структуры электродов возбуждения расположены между четырьмя свободными областями - 9.1, 9.2, 9.3, 9.4. Каждая структура электрода возбуждения может, например, занимать азимутальный диапазон в 50-7 0°, а оставшиеся
4 0-2 0° заняты свободными областями 9.1, 9.2, 9.3, 9.4. Между структурами А11+, All-, А12+, А12- электродов возбуждения внутренней массы 1 и структурами А21+, А21-, А22+, А22-электродов возбуждения внешней массы 2 есть небольшой радиальный зазор 10, соответствующий разнице между R2 и R3.
Структура электродов возбуждения, как известно из предшествующего уровня техники, может иметь гребнеобразное устройство (на иллюстрациях не показана). Они генерируют противофазную вибрацию масс 1, 2 в плоскости XY.
На каждой массе 1, 2 есть четыре чувствительных электрода: S11 + , S11-, S12 + , S12- -на внутренней массе 1 и S21 + , S21-, S22 + , S22- - на внешней массе 2. Каждый из них может занимать четверть поверхности соответствующей массы 1, 2. Они электрически изолированы друг от друга небольшими радиально ориентированными зазорами 11.1, ... 11.4 и 12.1, ... 12.4. В настоящем варианте исполнения зазоры 11.1, ... 11.4 внутренней массы 1 и зазоры 12.1, ... 12.4 внешней массы 2 находятся на одной линии друг с другом. Так что чувствительные электроды, которые занимают азимутальную область между зазорами 12.1, 12.4, находятся на одной линии друг с другом. Для ясности -чувствительные электроды S11+ и S21+ находятся на одной линии друг с другом на положительной полуоси Y. Чувствительные электроды S11- и S21- расположены зеркально-симметрично относительно чувствительных электродов S11+ и S21+ на отрицательной полуоси Y. Аналогичным же образом, чувствительные электроды S12+ и S22+ находятся на одной линии друг с другом на положительной полуоси X, а чувствительные электроды S12- и S22-расположены на одной линии друг с другом на отрицательной полуоси X.
Каждый из чувствительных электродов на массах 1, 2 имеет на неподвижном опорном элементе сопряженный электрод (не показан), так чтобы образовалась электрическая емкость, которая изменяется в зависимости от отклонения масс от их положений покоя.
С чувствительными электродами соединена схема детекции,
предназначенная для детекции внеплоскостного качательного движения масс 1, 2 посредством вычисления указанных далее дифференциальных сигналов.
Структуры электрода возбуждения и соответствующая схема подробно не показаны. Они хорошо известны специалисту в данной области (устройства электрода возбуждения см. например, в патенте США 6062082, патенте США 5377544, в публикации WO 2007/003501, а соответствующую схему - в публикации WO 2005/066584).
Фиг. 2 схематично показывает поперечное сечение устройства и, в частности, его внеплоскостных отклонений, когда это устройство подвергнуто повороту относительно оси X. Вследствие противофазного движения масс 1, 2, внеплоскостное отклонение внутренней массы 1 противоположно внеплоскостному отклонению внешней массы 2.
Фиг. 2 показывает также сопряженные электроды 13.1, 13.4, которые выполнены в колпачковом элементе 14 устройства и которые взаимодействуют с чувствительными электродами. Устройство выполнено по МЭМС-технологии и содержит подложку 15 и МЭМС-слой 16 между подложкой 15 и колпачковым элементом 14. Массы 1, 2 и соединительные элементы 4, 5, б, 7 выполнены в МЭМС-слое 16. Вибрационные массы 1, 2 заключены в полость, образованную между колпачковым элементом 14 и подложкой 16.
Фиг. 3 схематично показывает внеплоскостные отклонения, когда это устройство подвергнуто воздействию линейного ускорения вдоль оси Z. Обе массы 1, 2 сдвинуты в z-направлении. Соответствующие изменения в измерительных сигналах нейтрализуются в соответствии с изобретением дифференциальной детекцией.
Фиг. 4 показывает соединительную конструкцию, которая надежно поддерживает противофазные вибрации двух масс 21, 22. Между внешней периферией внутренней массы 21 и внутренней периферией кольцеобразной внешней массы 22 существует свободная кольцеобразная область 23. В этой свободной области 23 есть, например, восемь точек крепления, причем, четыре из них - 24.1, 24.3, 24.5, 24.7 расположены на внутренней воображаемой
окружности относительно центра С, а другие четыре из них -24.2, 24.4, 24.6, 24.8 расположены на внешней воображаемой окружности относительно центра С. Восемь точек крепления образуют четыре пары - 24.1/24.2, 24.3/24.4, 24.5/24.6, 24.7/24.8 - точек крепления. Каждая из упомянутых пар точек крепления расположена на линии с одним из зазоров 25.1, 2 5.4, идущим по радиусу от центра С и разделяющим чувствительные электроды на внутренней массе 21 один от другого.
Между внутренними точками 24.1, 24.3, 24.5, 24.7 крепления
и внешними точками 24.2, 24.4, 24.6, 24.8 крепления помещено
упругое соединительное кольцо 2 6, которое концентрично с
внутренней и внешней массами 21, 22. Это соединительное кольцо
26 удерживается на расстоянии от точек 24.1, 24.8 крепления
и, в то же время, над подложкой устройства посредством коротких
радиальных плеч 27.1, 27.8, причем, длина L этих радиальных
плеч меньше, чем половина (или, предпочтительно, меньше чем четверть) радиальной протяженности свободной области 23 (см. расстояние на фиг. 1: L <(R4-Rl)/2).
Посередине между двумя соседними парами 24.1/24.2 и 24.3/24.4 точек крепления имеются две радиальные перемычки 2 8.1, 28.2 для подсоединения соответственно внешней и внутренней масс к соединительному кольцу 26. Имеются три одинаковые структуры 28.3/28.4, 28.5/28.6, 28.7/28.8 радиальных перемычек, смещенных азимутально на 90° относительно первой структуры 2 8.1/28.2 радиальных перемычек.
В то время как радиальные перемычки 2 8.1, 28.2 могут быть прямыми и подсоединенными непосредственно к массам 21, 22, настоящий вариант исполнения демонстрирует различные решения. Радиальная перемычка 2 7.1 имеет свой внутренний конец в виде зубца с двумя плечами 2 9.1, 29.2, которые ориентированы поперечно радиальной перемычке 2 8.1 и которые соединены с внешней периферийной поверхностью кольцеобразной массы 21, находясь на радиальном расстоянии от воображаемого пересечения оси радиальной перемычки 2 8.1 и внешней поверхности массы 21.
Радиальная перемычка 2 8.1 и плечи 2 9.1, 29.2 образуют Y-образное соединение между соединительным кольцом 2 6 и внутренней массой 21. Аналогичным образом с соединительным кольцом 2 6 связана внешняя масса 22. Как можно видеть на фиг. 4, для каждой массы 21, 22 существуют четыре Y-образных соединения с соединительным кольцом.
Фиг. 5 схематично показывает схему 30 управления, управляющую генератором 31 сигнала возбуждения, который соединен с электродами возбуждения А11+, All-, А21+, А21-, А12+, А21-, А22+, А22-. Схема детекции электрически соединена с чувствительными электродами S11+, S11-, S21+, S21-, S12+, S12-, S22+, S22-. Схема детекции содержит вычислительное устройство 33 для вычисления дифференциального сигнала в соответствии с формулами:
Sxout=({S21+}-|j{Sll+})- ({S21-}-n{Sll-}) Syout= ( {S22+}-|j{S12+} ) - ( {S22-}-|j{S12-} ) .
Изобретение не сводится к показанным выше вариантам исполнения. Как дополнительный признак можно обеспечить работу части каждого чувствительного электрода как электрода квадратичной компенсации. Такой дополнительный электрод может быть использован для ввода сигнала, который пропорционален амплитуде возбуждения.
Схему детекции по настоящему изобретению можно использовать только по одной оси. В такой упрощенной структуре необходимы будут только два электрода. Они диаметрально противоположны друг другу относительно центральной оси С вибрирующмх масс. Кроме того, они могут занимать большую площадь, чем только четверть верхней поверхности массы.
Следует заметить, что сигнал S_3={S21+}+{Sll+}+{S21-}+{Sll-}+{S22+}+{S12+}+{S22-}+{S12-}
представляет линейное ускорение вдоль оси Z (Szout) . Этот сигнал может быть оценен и подан на выход.
Высокая геометрическая симметрия масс и выступов относительно центральной оси, а также относительно осей X и Y масс обеспечивает исключение дисбаланса колеблющихся масс.
Конструкция масс и соединительных элементов, предпочтительно, такова, что частоты вибрации масс существенно выше (то есть, более чем вдвое), чем частота любого возмущающего сигнала внешнего окружения. Это облегчает работу гироскопа. Обычная частота возбуждения, более высокая, чем наибольшая механическая возмущающая частота, может составлять по меньшей мере 3 кГц. Предпочтительный частотный диапазон составляет 3-12 кГц. Для измерительной частоты может быть использован частотный сдвиг в от 5 до 10% от частоты возбуждения.
Таким образом, настоящее изобретение обеспечивает решение, минимизирующее влияние внешнего окружения на устройство детекции кориолисова разворота.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Способ детекции выходного сигнала резонаторного
микроэлектронного гироскопа, предпочтительно, гироскопа
микроэлектромеханической системы (МЭМС), включающий в себя
этапы
a) возбуждения плоскостного вибрационного движения первой и второй резонаторных масс (1, 2), подвешенных с возможностью поворотной вибрации,
b) обеспечения противофазной вибрации первой и второй вибрирующих масс (1, 2) посредством по меньшей мере одного механического соединительного элемента (4, 5, б, 7), гибко соединяющего первую и вторую резонаторные массы (1, 2) с возможностью противофазной вибрации,
о т лич ающий с я
c) детекцией по меньшей мере двух положительных сигналов
[S21+], [S11+] чувствительных электродов и по меньшей мере двух
отрицательных сигналов [S21-], [S11-] чувствительных электродов
по меньшей мере двух положительных и двух отрицательных
чувствительных электродов соответственно двух резонаторных масс
(1, 2) для детекции внеплоскостного движения этих масс.
d) определение по меньшей мере одного выходного сигнала
Sxout посредством дифференциальной детекции упомянутых сигналов
на основе следующей формулы:
Sxout=({S21+}-|j{Sll+})- ({S21-}-n{Sll-}) , где
({S21+}, {S21-} - сигналы чувствительных электродов, соответственно, положительного и отрицательного детектирующих электродов второй массы;
({S11+}, {S11-} - сигналы чувствительных электродов, соответственно, положительного и отрицательного детектирующих электродов первой массы;
\х - коэффициент компенсации.
2. Способ по п.1, в котором для определения двух выходных
сигналов Sxout, Syout, соответствующих кориолисову развороту в х-
и у-направлении, дополнительными этапами являются:
a) детекция двух дополнительных положительных сигналов [S22+], [S12+] чувствительных электродов и по меньшей мере двух отрицательных [S22-], [S12-] чувствительных электродов по меньшей мере двух дополнительных положительных и двух отрицательных чувствительных электродов, соответственно, двух упомянутых резонаторных масс (1, 2) для детекции дополнительного выходного внеплоскостного движения масс (1, 2).
b) определение дополнительного выходного сигнала Syout посредством дифференциальной детекции упомянутых дополнительных сигналов на основе следующей формулы:
Syout= ( {S22+}-|j{S12+} ) - ( {S22-}-|j{S12-} ) , где
({S22+}, {S22-} - сигналы чувствительных электродов положительного и отрицательного детектирующих электродов, соответственно, второй массы;
({S12+}, {S12-} - сигналы чувствительных электродов положительного и отрицательного детектирующих электродов, соответственно, первой массы;
\х - коэффициент компенсации.
3. Способ по п.1 или 2, в котором предусмотрен
соединительный элемент в виде кольцеобразной упругой структуры
с радиальными перемычками, подсоединяющими эту кольцеобразную
структуру к двум массам.
4. Резонаторный микроэлектронный гироскоп,
предпочтительно, гироскоп микроэлектромеханической системы
(МЭМС), содержащий:
a) первую и вторую резонаторные массы, подвешенные с возможностью поворотной вибрации;
b) по меньшей мере один механический соединительный элемент, упруго соединяющий первую и вторую резонаторные массы с возможностью противофазной вибрации;
c) по меньшей мере один положительный и по меньшей мере один отрицательный чувствительный электрод на каждой резонаторной массе для детекции выходного внеплоскостного движения масс,
a)
d) схему детекции, подсоединенную к упомянутым положительному и отрицательному чувствительным электродам,
о т лич ающий с я
e) вычислительным устройством, встроенным в схему детекции, при этом упомянутое вычислительное устройство определяет выходной сигнал посредством дифференциальной детекции сигналов на основании следующей формулы:
Sxout= ( {S21+}-n{Sll+} ) - ( {S21-}-n{Sll-} ) .
где
({S21+}, {S21-} - сигналы чувствительных электродов, соответственно, положительного и отрицательного детектирующих электродов второй массы;
({S11+}, {S11-} - сигналы чувствительных электродов, соответственно, положительного и отрицательного детектирующих электродов первой массы;
\х - коэффициент компенсации.
5. Резонаторный микроэлектронный гироскоп по п. 4, в котором для определения двух выходных сигналов Sxout, Syout, соответствующих кориолисовому развороту в х- и у-направлении,
a) на каждой резонаторной массе присутствуют по меньшей мере один дополнительный положительный и по меньшей мере один дополнительный отрицательный чувствительные электроды для детекции дополнительного внеплоскостного движения этих масс;
b) по меньшей мере одна дополнительная схема детекции определяет дополнительный выходной сигнал посредством дифференциальной детекции сигналов на основе следующей формулы:
Syout= ( {S22+}-|j{S12+} ) - ( {S22-}-|j{S12-} ) , где
({S22+}, {S22-} - сигналы чувствительных электродов положительного и отрицательного детектирующих электродов, соответственно, второй массы;
({S12+}, {S12-} - сигналы чувствительных электродов положительного и отрицательного детектирующих электродов, соответственно, первой массы;
\х - коэффициент компенсации.
6. Резонаторный микроэлектронный гироскоп в соответствии с одним из п.п.4, 5, в котором вторая масса имеет форму кольца, а первая масса подвешена концентрично внутри второй массы.
7. Резонаторный микроэлектронный гироскоп по п. б, в котором первая масса имеет круговую форму.
8. Резонаторный микроэлектронный гироскоп в соответствии с одним из п.п.4-7, в котором каждый из по меньшей мере одного соединительного элемента зафиксирован в креплении и удерживает подвешенными две массы.
9. Резонаторный микроэлектронный гироскоп в соответствии с одним из п.п.1-8, в котором каждое из по меньшей мере одного крепления упорядочено в свободном пространстве между двумя массами и поддерживает соединительный элемент в средней области.
10. Резонаторный микроэлектронный гироскоп по п.9, в котором по меньшей мере один соединительный элемент является Z-образным.
11. Резонаторный микроэлектронный гироскоп по п.9, в котором соединительный элемент имеет форму кольцеобразной упругой структуры с радиальными перемычками, соединяющими эту кольцеобразную структуру с двумя массами.
12. Резонаторный микроэлектронный гироскоп по п.11, в котором кольцеобразная структура зафиксирована на по меньшей мере четырех креплениях, смещенных в угловом направлении относительно перемычек.
13. Резонаторный микроэлектронный гироскоп в соответствии с одним из п.п.4-12, в котором положительные чувствительные электроды двух масс находятся в одном и том же секторе.
14. Резонаторный микроэлектронный гироскоп в соответствии с одним из п.п.4-13, в котором геометрия подвижной массы выбрана таким образом, что вынужденная частота вибрации внутренней и внешней масс одинакова.
15. Резонаторный микроэлектронный гироскоп в соответствии с одним из п.п.6-14, в котором внутренняя масса подвешена таким образом, что она имеет более высокую выходную амплитуду, чем внешняя масса.
10.
16. Резонаторный микроэлектронный гироскоп в соответствии с одним из п.п.6-15, в котором внутренняя масса подвешена таким образом, что она имеет более высокую амплитуду вибрации, чем внешняя масса.
По доверенности
Sxout
Syout
7TTTTTTT TTTTTTTT
A11 + A11-A12+A21- A21+A21-A22+A22- S11+ S11- S21 + S21-S12+ S12- S22+S22-
ФИГ. 5
2/4
4/4
4/4
|
