Монолитные кремниевые гироскопы

Хотя гироскопы с вращающимся ротором в течение многих лет были практически единственными устройствами, применяемыми при построении навигационных устройств, их размеры в настоящее время являются сильно ограничивающим фактором. Принцип действия таких датчиков не позволяет реализовать их в виде миниатюрных монолитных устройств. К тому же все части традиционных механических гироскопов: рамки, подвесные конструкции, моторы и роторы, требуют высокой точности при изготовлении и сборке, что обуславливает их высокую стоимость. Наличие в датчиках таких элементов как моторы и роторы, приводит к тому, что вследствие их повышенного износа, гироскопы удовлетворяют объявленным характеристикам в течение только ограниченного количества рабочих часов. Поэтому и возникла потребность в разработке альтернативных устройств для определения направления и скорости движения объектов.

В ряде случаев глобальная система навигации является идеальным выбором, но она не работает в космосе, под водой, и ее невозможно использовать там, где размеры и стоимость датчиков имеют решающее значение.

Более перспективный метод построения гироскопов основан на применении микротехнологий, позволяющих реализовать миниатюрные устройства, в которых вращающийся диск заменяется на вибрирующий элемент. Все гироскопы вибрационного типа основаны на явлении ускорения Кориолиса.

Суть его заключается в том, что при применении законов Ньютона к телам, перемещающимся внутри вращающейся рамки, в уравнениях движения необходимо учитывать силу инерции, направленную перпендикулярно к их перемещению. В отличие от роторных гироскопов, в которых инерционная масса вращается по кругу, в вибрационных датчиках подвешенная масса двигается линейно, совершая гармонические колебания. Если тело движется линейно внутри опорной рамки, вращающейся вокруг оси, перпендикулярной направлению движения, в нем возникает ускорение Кориолиса. Это ускорение прямо пропорционально скорости вращения тела относительно третьей оси, перпендикулярной плоскости, образованной двумя другими осями.

В микрогироскопах вращение заменено на вибрацию, а по величине возникающего ускорения можно судить о скорости движения. В отличие от роторных гироскопов, в которых инерционная масса вращается по кругу, в вибрационных датчиках подвешенная масса двигается линейно, совершая гармонические колебания.

Рис. 7.11 Микроструктура монолитного кремниевого гироскопа с вибрирующим кольцом и влияние ускорения на пространственно положение кольца.

Существует несколько практических способов построения вибрационных гироскопов, но все их можно разделить на три основные группы:

• простые вибраторы (масса на пружине, балки);
• уравновешенные вибраторы (камертон);
• тонкостенные резонаторы (цилиндры, кольца, фужеры).

Рис. 7.12 Конструктивное исполнение вибрационного гироскопа.

Твердотельный волновой гироскоп предназначен для работы в бесплатформенных инерциальных навигационных системах (БИНС) гражданского назначения в качестве интегрирующего гироскопа. Принцип действия основан на свойстве инерционности стоячей волны, возбуждаемой в полусферическом резонаторе.

Характеризуется высокой точностью и малой потребляемой мощностью. Ресурс – более 100 000 часов.

Технические характеристики.

Малогабаритный динамически настраиваемый гироскоп ГВК-16 используется в качестве чувствительного элемента в малогабаритных датчиках угловых скоростей средней точности многоцелевого межвидового применения для подвижных объектов, а также в бесплатформенных ИНС и системах стабилизации.

Достоинства:

• большой диапазон входных угловых скоростей;
• высокая ударная прочность (до 100 ед.)

ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Малогабаритный динамически настраиваемый гироскоп МГ-4 используется в качестве чувствительного элемента в малогабаритных датчиках угловых скоростей средней точности многоцелевого межвидового применения для подвижных объектов, а также в бесплатформенных ИНС и системах стабилизации. Имеет большой диапазон входных угловых скоростей

ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Микромеханический гироскоп ММГ предназначен для использования в качестве датчика угловой скорости в автомобилестроении, робототехнике, спортивных тренажерах, медицинском оборудовании, системах виртуальной реальности, бытовой технике, детских игрушках.

Микромеханический гироскоп состоит из кремниевого датчика и блока электроники.

ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ