Диссертация (1091101), страница 7
Текст из файла (страница 7)
Приэтом датчик первичной информации состоит из чувствительного элемента (вибратора) совершающего резонансные колебания на подвеске, закрепленной в корпусе.Рассмотрим пьезоэлектрические вибрационные гироскопы – пьезогироскопы.Принцип действия пьезогироскопа можно проиллюстрировать на примерекамертона из упругой стали (рисунок 1.12). С помощью пьезоэлементов, закрепленных на боковых ветвях камертона возбуждаются первичные колебания в плоскости ZOY, а при вращении основания и вибрирующих ветвей с угловой скоростью вокруг оси Z вследствие сил Кориолиса возникают вторичные колебания(отклик) в поперечной плоскости ZOX, закручивающие ножку (торсион) камертона. Пьезоэлементы детектирования могут быть расположены как на передней изадней плоскости веток, так и на торсионе - при вторичных колебаниях разност-40ный сигнал, снимаемый с выходных пьезоэлементов, пропорционален угловойскорости вращения основания.Рисунок 1.12 – Принцип действия камертонного пьезогироскопаРазработка пьезогироскопов ведется с начала 1960-х годов [40, 44], однаконаибольшее распространение пьезогироскопы получили с начала 1990-х годов всвязи с развитием технологий микроэлектроники.Современными производителями пьезогироскопов являются фирмы Murata(Япония), NEC/TOKIN (Япония, Корея), Seiko Epson (Япония, Корея), Fujitsu(Япония), BEI Systron Donner (США), Sagem (Франция), Watson Industries (США),BAE Systems (США, Англия), Microcomponents SA (Швейцария), а также ОАО«НИИ ЭЛПА» (Россия).Существует множество форм чувствительных элементов: балки (стержни),диски, пластины, камертоны, оболочки, мембраны и т.д.
[40, 41] По признакуформы чувствительные элементы пьезогироскопов можно разделить на три группы: элементарные осцилляторы, уравновешенные осцилляторы (камертоны) икольцевые осцилляторы [40, 45].Первую группу образуют элементарные осцилляторы, содержащие простейший чувствительный элемент в виде балки [44, 46, 47] (биморфа [48, 49]),круглого стержня [50], трубки [51, 52] и т.п. (линейные); пластины [53, 54], диска[55], кольца [56] или рамки [57] (планарные). Подобные чувствительные элемен-41ты используются в датчиках серий ENV [58], ENC [59] (Murata, Япония).
Например, гироскоп ENC-03R [59] на основе биморфного пьезоэлемента обладает динамическим диапазоном ±300°/с; коэффициентом преобразования 0,67 В/(°/с); нелинейностью 5%. Имеет размеры 15,5х8,0х4,3 мм, питается напряжением от +2,7 Вдо +5,5 В. Компания NEC/Tokin разрабатывает пьезогироскопы серии CG-L43[50] на основе пьезокерамического стержня круглого сечения диаметром 1,5 мм идлиной 13 мм с шестью электродами на поверхности, которые обладают динамическим диапазоном ±90°/с; коэффициентом преобразования 0,66 В/(°/с), разрешением 0,1°/с. Напряжение питания составляет +3 В, размер датчика 8,0x16x5,0 мм.Вторую группу образуют уравновешенные осцилляторы (камертоны) содержат, как правило, несколько масс (ветвей или пластин – элементарных осцилляторов), симметрично расположенных относительно продольной оси устройстваи связанных между собой перемычкой или основанием, размеры которого меньшедлины ветвей или пластин. Уравновешенные осцилляторы можно разделить натри группы: U-образные (простые) [60, 61], развернутые (Н-образные) камертоны[62] и многостержневые камертоны [63].
Примером подобных устройств являютсягироскопы GyroChip (BEI Systron Donner, США), Quapason (Sagem, Франция) [63],«Quartz Crystal Yaw Rate Sensor» компании Toyota Central R&D Labs (Япония).Последний обладает динамическим диапазоном ±100°/с, коэффициентом преобразования 20 мВ/(°/с), нелинейностью ±3%.
Размеры чувствительного элемента15х3,5х0,3 мм.Третью группу образуют кольцевые осцилляторы, отличительной особенностью которых является то, что энергия колебаний циркулирует внутри замкнутогоконтура (цилиндра, фужера или кольца) и измерение угловой скорости происходит за счет использования инерционных свойств стоячих волн в упругих средах.Если возбудить стоячие волны упругих колебаний в осесимметричном резонаторе, то вращение основания, на котором установлен резонатор, вызовет поворотузловых точек стоячей волны на известный угол. Соответствующее движениеволны как целого называется прецессией. Скорость прецессии стоячей волныпропорциональна проекции угловой скорости вращения основания на ось сим-42метрии резонатора.
Примером являются гироскопические датчики серии VSG-E(Watson Ind., США) [61].Пьезогироскопам различных форм посвящен ряд обзорных статей [40, 41,45, 64], а также статей, посвященных аналитическим [47, 49, 52, 53, 55, 56], численным [51, 65, 66] и экспериментальным [51] методам исследования пьезогироскопов различных форм.В рамках настоящей работы на основе ряда источников [36, 40, 41, 64] составлена расширенная классификация пьезогироскопов, основной признак – форма чувствительного элемента (рисунок 1.13).Рисунок 1.13 – Расширенная классификация пьезогироскопов43В главе 3 настоящей работы представлены аналитические, численные и экспериментальные исследования ряда планарных и стержневых пьезогироскопов наоснове многослойных пьезоприводов прямоугольной формы.1.2.4.
ПьезосканерыПьезоэлектрический сканер (пьезосканер) – прецизионное устройство, совершающее колебательные движения вдоль определенной поверхности для исследования ее свойств тонким зондом (пучком излучения) за счет механизма обратного пьезоэффекта.В общем случае пьезоэлектрические сканеры используются в сканирующейзондовой микроскопии (СЗМ) [67, 68] и лазерных сканерах [28].Сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ) является одним из наиболееперспективных методов исследования микроструктуры материалов.На схеме (рисунок 1.14) представлено сравнение СЗМ с другими видамимикроскопии [68].Рисунок 1.14 – Сравнение СЗМ с другими видами микроскопии.44В основе СЗМ лежит исследование поверхности с помощью миниатюрныхзондов, способных одновременно фиксировать несколько видов взаимодействиймежду зондом и образцом, что позволяет производить целый ряд измерений различных свойств образца.
В отличие от электронной микроскопии, СЗМ не требует для работы вакуума и специальной обработки образцов. Наиболее распространенными разновидностями СЗМ являются сканирующая туннельная (СТМ), позволяющая исследовать только токопроводящие поверхности, и атомно-силоваямикроскопия (АСМ), позволяющая изучать поверхности любой природы. СТМ,АСМ и их модификации позволяют получить увеличения от 10 3 до 109 раз для исследования микрорельефа поверхности, магнитных свойств, а также для целейспектроскопии [69]. Разрешение в плоскости современных СТМ достигает 0,1 нм,а разрешение в вертикальном направлении – 0,01 нм.Основными достоинствами СТМ является возможность измерений в различных средах (вакуум, газы или жидкости) и в широком диапазоне температур(от 0,1 К до 1000 К), высокая степень локальности взаимодействия зондповерхность, возможность использования как для наблюдения, так и для модификации поверхности образца (путем приложения большего напряжения).В каждом из направлений СЗМ (сканирующей туннельной, атомно-силовой,сканирующей ближнепольной и др.
микроскопии) используемые пьезосканерыотличаются функциями, формой и режимом управления.Следует отметить, что в СЗМ, в большинстве случаев, используется двойнаясистема подвода зонда, включающая подсистему «грубых» перемещений, необходимых для подведения зонда к месту исследований и подсистему «прецизионных» перемещений, необходимых для исследования площадки площадью в несколько квадратных микрометров.Как правило, более точная система прецизионных перемещений механически интегрирована в более грубую систему микроперемещений.Для систем грубого перемещения в СТМ используются механические иэлектромеханические приводы, обеспечивающие перемещения до десятых долеймикрометра [70, 71].45Рассматриваемые в работе пьезосканеры входят в подсистему прецизионных перемещений.В литературе представлены различные формы пьезосканеров для сканирующей зондовой микроскопии в рамках различных исследований: триподы [68,70], трубки [72], пластинки [73], юниморфные [67] и биморфные [74] кантилеверы, пьезоприводы крестообразные в сечении [75, 76], планарные приводы на основе пьезостеков [77, 78].На рисунке 1.15 представлена схема одного из первых пьезосканеров на основе триподного пьезопривода, разработанного Биннигом и Рорером [70].Рисунок 1.15 – Схема пьезосканера на основе трипода.В работе [67] представлена конструкция СТМ, основанная на тонкопленочном пьезоактюаторе, образующем биморфный кантилевер.
Этот биморф образован чередующимися слоями металлических электродов, диэлектрических пленоки пленок пьезоэлектрического оксида цинка (рисунок 1.16) и позволяет совершатьчетыре вида движений.На рисунке 1.16, а) показано, что наконечник зонда находится на свободномконце пьезоэлектрического биморфного кантилевера. Кантилевер закреплен накрае кремниевого основания, содержащего контактные площадки для подведениявнешнего сигнала. На рисунке 1.16, б) на поперечном сечении кантилевера показаны два пьезоэлектрических слоя ZnO, расположенные между тремя слоями46электродов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
