Микроэлектромеханические гироскопы

МЭМС-гироскопы относятся к наиболее востребованному на рынке типу МЭМС-устройств. Работы по созданию МЭМС-гироскопов начались с 90-х годов прошлого века. В настоящее время они серийно выпускаются такими крупными фирмами, как Analog Devices, Epson, Honeywell, Bosch и др. Основное предназначение МЭМС-гироскопов заключается в измерении угловых скоростей относительно одной или нескольких осей. Совместное использование акселерометров и гироскопов позволяет отслеживать движение объекта в трехмерном пространстве и определять его ориентацию и местоположение в пространстве с высокой точностью. Поэтому они нашли применение в автомобильной промышленности, робототехнике, системах стабилизации различных объектов от беспилотных летательных аппаратов до видеокамер. Наряду с летательными аппаратами гироскопы активно используются в информационных технологиях, например, в различных мобильных устройствах или в контроллерах игровых приставок, где они функционируют совместно с акселерометрами.

Вариантов конструкции МЭМС-гироскопов существует довольно много, но принцип действия у них примерно один. Имеется чувствительный элемент – инерционная масса в подвесе с приводом, который обеспечивает ей режим линейных или угловых колебаний. Если объект, на котором закреплен гироскоп, будет совершать вращательное движение относительно оси чувствительности гироскопа, то на инерционную массу будет действовать сила Кориолиса. Это вызовет вторичные линейные или угловые колебания инерционной массы, параметры которых зависят от угловой скорости объекта. На этом основании МЭМС-гироскопы иногда называют приборами для измерения ускорения Кориолиса.

МЭМС-гироскопы по характеру движения инерционных масс разделяются на три типа:

- RR (rotare-rotare) тип – обе формы колебаний являются угловыми;

- LL (linear-linear) тип – обе формы колебаний являются линейными;

- LR тип – сочетание угловой и линейной формы колебаний ротора.

Принцип действия МЭМС-гироскопа RR-типа поясняет принципиальная схема, приведенная на рис. 3.131а. Диск на упругом подвесе, который обеспечивает три степени свободы угловых колебаний, под управлением системы возбуждения первичных колебаний совершает колебания с частотой f₁. При наличии угловой скорости Ω (направление показано на рис. 3.131а) на диск действует сила Кориолиса, что вызывает вторичные колебания диска с частотой f₂ вдоль перпендикулярной оси, которые регистрируются емкостными датчиками системы съема выходного сигнала. Амплитуда этих колебаний пропорциональна угловой скорости Ω. Обычно собственную частоту f₂ вторичных колебаний выбирают близкой к частоте f₁ или несколько большей в зависимости от степени использования эффекта резонанса для усиления полезного сигнала.

а) б)

Рис. 3.131. Принципиальная схема МЭМС-гироскопа (а) и его увеличенное изображение (б)

Конструкция МЭМС-гироскопа (рис. 3.131б) образуется сваренными между собой двумя пластинами из монокристаллического кремния толщиной 0,8 мм. На одной из пластин сформирован диск, подвешенный на упругом подвесе, и гребенчатая система управления первичными колебаниями, на второй – электроды датчиков системы измерения и управления вторичными колебаниями диска. Диаметр диска 3 мм, толщина 60 мкм, номинальный зазор между основанием и диском 2 мкм. Подвес состоит из четырех упругих элементов прямоугольного сечения. Упругие элементы имеют одинаковую форму и попарно расположены под одинаковыми углами к оси вторичных колебаний.

Емкостные датчики системы управления первичными колебаниями имеют гребенчатую структуру. Одна часть гребенок сформирована на диске, другая часть неподвижно соединена с основанием и размещена в прорезях диска, что сокращает габариты, увеличивает жесткость и создает нужную разность экваториальных моментов диска. Зазоры между зубьями гребенок составляют 2 мкм. Емкостные датчики системы управления вторичными колебаниями образуются электродами, расположенными на крышке над диском. Зазор между диском и электродами составляет 2 мкм.

На рис. 3.132а представлено увеличенное изображение одноосевого курсового гироскопа. Две подвижные массы находятся в непрерывном колебательном движении в противоположных направлениях, обозначенных синими стрелками. При наличии угловой скорости возникнет сила Кориолиса, направленная в перпендикулярном к колебаниям направлении, что вызовет смещение масс, пропорциональное величине угловой скорости. Так как движущиеся электроды (роторы) сенсорной части датчика расположены рядом с неподвижными электродами (статорами), то любое смещение будет вызывать изменение электрической емкости конденсаторов, образованных статорами и роторами. Таким образом, осуществляется преобразование угловой скорости вращения гироскопа в выходной сигнал. Наличие в гироскопе двух колеблющихся в противофазе масс делает систему нечувствительной к внешним линейным ускорениям и вибрации. При возникновении таких воздействий обе массы датчика будут смещаться в одном направлении. Благодаря использованию дифференциальной схемы преобразования изменений емкости в выходной сигнал влияние внешних воздействий будет скомпенсировано.

а) б)

Рис. 3.132. Одноосевой курсовой гироскоп (а) и схема двухкоординатного датчика угловых скоростей

Основу двухкоординатного датчика угловых скоростей на основе МЭМС-гироскопа (рис. 3.132б.) представляет подвижная пластинка, прикрепленная к центральному основанию с помощью спиралеобразного упругого подвеса. Система возбуждения датчика вызывает крутильные колебания подвижной части такого маятника вокруг оси Z с постоянной амплитудой. При наличии угловых скоростей ω_x и ω_y на основание будут действовать силы Кориолеса, которые уравновешиваются с помощью датчиков моментов компенсационной обратной связи. Токи в обмотках датчиков момента каждого из двух каналов несут информацию о величине и направлении угловых скоростей ω_x и ω_y.

Все конструкции вибрационных гироскопов, несмотря на их широкое разнообразие, можно свести к нескольким типам. Одними из самых первых были балочные гироскопы. С помощью пьезоэлементов возбуждали консольную балку вместе с грузом-пластиной в направлении оси Х, перпендикулярном оси балки (ось Z). Под действием силы Кориолиса, возникающей при повороте гироскопа относительно оси Z, возбуждались колебания вдоль оси Y, перпендикулярной осям X и Z. Эти вторичные колебания регистрировались пьезоэлементами. Основной недостаток таких гироскопов – их низкая технологичность, в частности, сложности с обеспечением стабильных параметров клеевого соединения металла и пьезокермики. Кроме этого, на свойства пьезокерамики сильное влияние оказывает температура. Поэтому в дальнейшем распространение получили биморфные вибрационные гироскопы.

В биморфных гироскопах резонатор представляет собой две склеенные пьезоэлектрические пластинки, поляризованные в противоположных направлениях. К пластинкам (или к одной из них) прикладывают напряжение, одна пластинка начинает сжиматься, другая растягиваться, в результате возникают колебания. При вращении под действием силы Кориолиса возбуждаются вторичные колебания, которые можно детектировать теми же электродами.

Еще одна разновидность вибрационных МЭМС-гироскопов – устройства с диском-резонатором. Один из первых таких гироскопов был создан в 1994 году сотрудниками Мичиганского университета (США). Основу гироскопа составлял никелевый обод диаметром 1 мм с восемью полукруглыми спицами, жестко закрепленными на подложке из поликристаллического кремния. С внешней от обода стороны с небольшим зазором располагались приводящие, измерительные и корректирующие электроды. Под действием прикладываемого к приводящим электродам напряжения генерируется основная мода колебаний (например, вдоль оси Y) – диск начинал вытягиваться вдоль оси Y и соответственно сжиматься вдоль перпендикулярной к ней оси Х. Если подложка (а с ней и диск) начинали вращаться вокруг оси Z, сила Кориолиса стремилась вызвать колебания в направлении оси X.

Данная конструкция обладала рядом существенных особенностей. Прежде всего, благодаря симметричной структуре резонансные частоты в основной и измерительной моде одинаковы. Такой резонатор обладает высокой добротностью, следовательно – потенциально большим разрешением измерения угловой скорости. Он мало восприимчив к ударам и вибрациям. Кроме того, неизбежные производственные дефекты, например, асимметрию резонатора можно устранить электронным путем, используя специальные подстроечные электроды.

Развивается и направление вращательных дисковых резонаторов. Первые значимые работы в этой области появились в начале 90-х годов. Диск-резонатор крепили на торсионах (как правило, на четырех) и возбуждали крутильные колебания относительно вертикальной оси Z. Если такой вибрирующий диск вращается вокруг оси, лежащей в его плоскости (например, оси X), то под действием силы Кориолиса возникают колебания перпендикулярно плоскости диска. Один край диска (в данном случае – вдоль оси Y) начнет подниматься, другой — опускаться в зависимости от текущего направления крутильных колебаний. Если гироскоп вращать одновременно вокруг осей X и Y, возникнут колебания относительно осей Y и X, соответственно. На поверхности диска формируют плоский электрод, на подложке под диском — четыре секторных электрода (соответственно, по осям X и Y). Измеряя изменение емкости между диском и этими электродами на подложке, можно определить амплитуды вертикальных колебаний и угловые скорости вращения одновременно вокруг двух осей.

В качестве примера на рис. 3.133 приведены увеличенные изображение современных МЭМС-гироскопов разных конструкций.

Рис. 3.133. Увеличенные изображение современных МЭМС-гироскопов разных конструкций