بنابراین در مقایسه با ژیروسکوپ های مکانیکی و نوری (که گران و حجیم هستند) بسیار ارزان ترند و
حجم بسیار کمی را اشغال می کنند. تلاش اولیه در طراحی این نوع ژیروسکوپ در مواردی نظیر
پایداری و هدایت موشک ها و مهمات هوشمند از صنایع نظامی آغاز شد، اما اخیرا در صنایع غیر نظامی نظیر اتومبیل سازی (سیستم ترمز پیشرفته برای جلوگیری از لغزیدن خودرو) و دوربین های دستی (برای پایداری تصویر) و صنعت روباتیک کاربرد پیدا کرده است. در مجموع هر چه تکنولوژی پیشرفت کند امکان ساخت ژیروسکوپ های ارتعاش کوچک تر، ارزانتر و دقیقتر فراهم می شود و استفاده ازآنها گسترش بیشتری می یابد. فصل اول همراه با مقدمه ای بر ژیروسکوپ های ارتعاشی MEMS، سیر تاریخی و تکامل این نوع ژیروسکوپ و کاربرد های مختلف آن را ارائه می کند و سپس مبانی عملکرد و رفتار رزوناتورهای مختلف را مورد بررسی قرار می دهد. دراین فصل نشان داده خواهد شدکه اصول عملکرد ژیروسکوپ های ارتعاشی با انواع رزوناتورها ، مبتنی براثرکوریولیس است.
2-1 – گام های توسعه در تکوین ژیروسکوپ های ارتعاشی
در سال 1851 فوکو با استفاده از پاندول نوسانی دوران زمین را نشان داد. پاندول فوکو را می توان نمونه اولیه ژیروسکوپ های ارتعاشی دانست. در سال 1964 کوئیک تحلیلی از تار مرتعش بعنوان یک سنسور حرکت زاویه ای را ارائه کرد. ثابت بودن یک سر تار و حرکت طولی طرف دیگر باعث تحریک در مود اول ارتعاش می شد. کوئیک بیان می دارد که اگر تکیه گاه حول محور تار شروع به دوران کند، صفحه ارتعاش ثابت خواهد ماند. او در مقاله اش به بررسی شرایط پایداری، اثر نواقص، عدم تقارن میرایی و الاستیک پرداخته، اما هیچ گونه توضیح عملی یا نتایج آزمایشگاهی ارائه نداده است. این طرح نیز همانند پاندول فوکو، یک سنسور تعیین زاویه دوران بود. در اوایل دهه 1980، اولین نمونه ژیروسکوپ های ارتعاشی (سنسورهای تعین سرعت زاویه ای) ساخته شد. در این نمونه از ماده پیزوالکتریک کوارتز استفاده شد که دارای بازده و ضریب کیفیت بالا در فشار اتمسفر بود. در سال
1991، شرکت ژاپنی موراتا دو طرح بسیار کم هزینه ارائه داد. در یک طرح از تیر فولادی با مقطع مثلثی استفاده کرد که بوسیله المان های پیزوالکتریک متصل به سطوح تیر، تحریک شده و حس می گردید. رزوناتور دوم، یک تیر چهارگوش پیزوالکتریک بود. در هر دو طرح، رزوناتورها در مود اول ارتعاشی یک تیر دوسر آزاد ارتعاش می کردند که تکیه گاه ها روی نقاط گرهی قرارگرفته بودند. طرح های ژیروسکوپی مبتنی بر رزوناتورهای تار، تیر مرتعش و پاندولی نسبت به شتاب های خطی حساس هستند. در صورتی که از یک رزوناتور متقارن مثل دیازپازون (که شاخک های آن دارای ارتعاش برابر اما مختلف الجهت هستند) استفاده شود، عیب مذکور مرتفع می گردد. طرح اول دیاپازون مرتعش بوسیله هانت و هابس ارائه شد. در این طرح، نیروهای کوریولیس ناشی از دوران شاخک های مرتعش حول محور طولی دیازپازون، باعث نوسان پیچشی پایه می شود که دامنه آن باسرعت زاویه ای اعمال شده ،متناسب است. طرح مذکور پر هزینه و حجیم بود و شاید دلیل اصلی بی نتیجه ماندن طرح های اولیه ژیروسکوپ های ارتعاشی را بتوان همین موضوع عنوان کرد، که با استفاده از فرآیندهای میکروماشین کاری و کوچک شدن ابعاد آنها، این نقیصه برطرف گردید. گام اصلی در این زمینه را شرکت سیسترون دانر برداشت. در طرح این شرکت از یک دیاپازون چهارشاخه استفاده شد که از یک جنس ماده پیزوالکتریک ( کوارتز تک کریستال) بود. دو شاخه اول حرکت نوسانی مختلف الجهت داشته که تحت تاثیر دوران، نیروی کوریولیس باعث تولید اندازه حرکت پیچشی در پایه دیاپازون می شد. در نتیجه، دو شاخه دیگر دیاپازون مطابق پیچش پایه و متناسب با سرعت زاویه ای اعمال شده اما با فرکانس طبیعی متفاوت، خارج از صفحه ارتعاش می کرد. در همین سال، شرکت دراپر دیاپازونی مرتعش از جنس سیلیکون – شیشه ارائه داد که بصورت الکترواستاتیکی تا دامنه حرکت 10μm تحریک می شد.
همچنین نمونه هایی با دامنه ارتعاش زیاد و مکانیزم تحریک الکترومغناطیسی ارائه شده است. درصنعت اتومبیل سازی ،شرکت دایملر – بنز با استفاده ازسیستم تحریک پیزوالکتریک که از قرار دادن یک لایه
نازک نیترید آلومینیوم روی شاخک ها حاصل می شد، تنش برشی ناشی از دوران پایه دیازپازون را
بصورت پیزوالکتریک به عنوان خروجی اندازه گرفت. نمونه ای از رزوناتورهای دیاپازونی نیز بوسیله سودرکویست ارائه شد،که از یک دیاپازون دوشاخه بدون استفاده از پایه پیچشی بهره می برد. استفاده

در این سایت فقط تکه هایی از این مطلب(به صورت کاملا تصادفی و به صورت نمونه) با شماره بندی انتهای صفحه درج می شود که ممکن است هنگام انتقال از فایل ورد به داخل سایت کلمات به هم بریزد یا شکل ها درج نشود-این مطالب صرفا برای دمو می باشد

ولی برای دانلود فایل اصلی با فرمت ورد حاوی تمامی قسمت ها با منابع کامل

اینجا کلیک کنید

از رزوناتورهای پوسته ای نیز گسترش چشمگیری یافته است. تحلیل ارتعاش و اثر دوران روی این دسته از رزوناتورها (استوانه ای و ناقوسی شکل) که در سال 1890 توسط برایان انجام شد، دردهه 1960 مبنای کار شرکت جنرال موتور برای طراحی موفق یک ژیروسکوپ ارتعاشی با رزوناتور نیم کره ای قرار گرفت. رزوناتور نیم کره ای این رزوناتور، از کوارتز هم جوش ساخته شده بود، که بطور الکترواستاتیکی تحریک و حس می گردید. تعداد زیادی اختراع نیز بر این اساس به ثبت رسیده است. فن آوری HRG (ژیوسکوپ بارزوناتور های نیم کره ای) همراه با هزینه و حجم کم و بازده بالا، امکان رقابت با ژیروسکوپ های دقیق نوری را فراهم کرد. ژیروسکوپ ارتعاشی سیلندری، رزوناتور دیگری است که از ایده برایان ناشی شده است. دراین نوع، از یک استوانه نازک فولادی یک سر گیر دار، با المانهای مجزای پیزوالکتریک به منظور حس و تحریک استفاده شده است. کاربرد اولیه این طرح در موشک ها و بمب های هوشمند بود که توانایی این سنسور را در تست های شوک تا g25000 را به اثبات رساند.
همچنین اولین کاربرد تجاری آنرا می توان در مسابقات اتومبیل رالی فرمول-1، 1987مشاهده کرد در نمونه های جدید، به جای اتصال المان های پیزوالکتریک به سطح استوانه ای کل پیکره از ماده پیزوالکتریک ساخته می شود. شرکت بریتیش ایرواسپیس نمونه ای از آنرا همراه با دو طرح جدیدتر مبتنی بر رزوناتورهای حلقوی ارائه داده است. در یکی از طرح ها سیستم تحریک الکترو مغناطیسی و سیستم حس کننده، خازنی می باشد. اما در طرح دوم هر دو سیستم، الکترومغناطیسی است. امروزه فن
آوری بر کاهش هزینه تولید این دسته از ژیروسکوپ ها متمرکز شده است. دراپر در سال 1991 اولین ژیروسکوپ ارتعاشی میکروماشینی سیلیکانی را پیشنهاد داد[4]. در سال 1994 میکروژیروسکوپ ها توانستند که به سطح کاربری تجاری برسند[5].
3-1- تعریف مفاهیم بایاس، ضریب تبدیل، ضریب کیفیت و پهنای باند
اطلاعات جامع تر در مورد این مفاهیم در مرجع [6] آمده است. در اینجا به بیان مختصری از این مفاهیم اکتفا می کنیم.
بایاس :
بایاس توسط دو مولفه بیان می شود: مولفه غیراحتمالی(قطعی) که انحراف بایاس نامیده می شود اشاره به انحراف ناشی از اندازه گیری توسط سنسور در نتیجه ورودی صفر دارد و دیگری مولفه احتمالی است که خطای بایاس نامیده می شود اشاره به میزان خطا در واحد زمان دارد. خطای بایاس، خطای بلند مدت یا کوتاه مدت ژیروسکوپ بوده و معمولا بر حسب 0 /s یا 0 /hr بیان می شود.
ضریب تبدیل :
ضریب تبدیل رابطه بین سیگنال خروجی و کمیت فیزیکی ورودی می باشد و بصورت میزان تغییر در ولتاژ خروجی بر حسب تغییر سرعت دورانی تعریف می شود و بر حسب V/ 0 /s بیان می شود. ضریب تبدیل یک مولفه غیراحتمالی بوده و بوسیله کالیبراسیون آزمایشگاهی تعیین می شود.
ضریب کیفیت :
ضریب کیفیت عبارت است از میزان تلفات متناوب انرژی در یک سیستم نوسانی. آن بر حسب نسبت بین انرژی نهایی ذخیره شده در سیستم( E) به میزان تلفات انرژی توسط چرخه (E∆ ) بیان می شود.
Q=E/∆E
مکانیزم اتلاف انرژی در رزوناتورهای شامل میرایی هوا، اتلاف سپر(مهار) صوتی، میرایی ترموالاستیک و اصطکاک داخلی می باشد. مجموع تلفات انرژی رابطه مستقیمی با تلفات انرژی نهایی داشته و مجموع معکوس هر کدام از ضرایب کیفیت برابر با معکوس ضریب کیفیت نهایی سیستم می باشد که بصورت زیر بیان می شود:
1/Q_total =1/Q_air +1/Q_anchor +1/Q_thermoelastic +1/Q_intrsic
پهنای باند :
برای سیگنالهای آنالوگ که بصورت تابعی از زمان به نمایش در می آیند، پهنای باند ∆f بر حسب هرتز اندازه گیری می شود. حدود پهنای باند در سیگنالهای آنالوگ در شکل 1-1 نشان داده شده است.
شکل 1-1- پهنای باند در سیگنالهای آنالوگ
4-1- اصول عملکرد میکرو ژیروسکوپ ارتعاشی
همانطور که پیش ازاین ذکر شد، مبنای عملکرد تمام ژیروسکوپ های ارتعاشی اثر کوریولیس است. میکرو ژیروسکوپهای ارتعاشی، دارای اجزاء غیر دواری هستند، که از اثر ناشی از شتاب کوریولیس جهت
تعیین میزان دوران زاویه ای اینرسی استفاده می شود. شتاب کوریولیس که بخاطر چرخش دستگاه مختصات مرجع ظاهر می شود، شتابی است که از آن جهت توصیف حرکت دورانی دستگاه مرجع و محاسبه حرکت محوری استفاده می شود. اثر کوریولیس در پدیده های زیادی که دوران پیچیده ای دارند ازجمله جریان هوا در بالای سطح زمین در نیمکره شمالی و جنوبی دیده می شود.
برای درک بهتر این اثر (که به نام مهندس فرانسوی نام گذاری شده)، ذره ای را درنظر بگیرید که با سرعت ثابت در امتداد محورy حرکت می کند و ناظر قرار گرفته بر روی محور x به آن نگاه می کند. ( شکل 2-1).

شکل 2-1- اثر کوریولیس
همانطور که در تصویر فوق مشخص است ناظر روی محور-x سیستم مختصات xyz قرار می گیرد. اگر در سیستم مختصاتی فوق دوران حول محور- z با سرعت زاویه ای Ωصورت گیرد، ناظرگمان می کند که ذره نسبت به محور-x با شتابی معادل v ⃗×2Ω ⃗ تغییر مسیر می دهد. نیروی حاصل از این شتاب در محور سومی ظاهر می شود،که برصفحه در برگیرنده محوردوران و بردار سرعت ذره عمود بوده و مقدار آن با سرعت زاویه ای محور- z متناسب می باشد. هر چند که نیروی واقعی ای بر ذره اعمال نشد، اما از نظر ناظر دوران دستگاه مرجع یک نیروی ظاهری را ایجاد می کند که مستقیما متناسب با سرعت دوران می باشد. این اصل مبنای مشترک عملکرد ژیروسکوپ های ارتعاشی با انواع مختلف رزوناتور است. نیروی کوریولیس با استفاده از رابطه زیر بدست می آید :
(F ) ⃗= 2mΩ ⃗×V ⃗
که m جرم المان حساس،V ⃗ سرعت المان حساس و Ω ⃗ سرعت زاویه ای اندازه گیری شده می باشد.
از آنجائیکه نیروی کوریولیس متناسب با سرعت است حساسیت بهتر می تواند با افزایش سرعت تحریک المان حساس بدست آید. رزوناتور ژیروسکوپ های ارتعاشی را می توان به سه دسته رزوناتورهای ساده (جرم وفنر، تیرها و تارها)، رزوناتورهای بالانس (انواع دیاپازونی) و رزوناتورهای پوسته ای (استوانه ای – کروی – ناقوسی وحلقوی ) تقسیم بندی نمود. ساده ترین نمونه عملی از ژیروسکوپ های ارتعاشی سیستم جرم، فنر و دمپر می باشد. یک تیر یک سرگیردار نمونه ساده دیگری از رزوناتور ژیروسکوپ ارتعاشی است. حرکت نوسانی تیر در راستای محور-y تحت اثر دوران حول محور طولی (محور-z) و درنتیجه اثر کوریولیس رفتار نوسانی را در راستای محور-x از خود نشان خواهد داد، که دامنه آن با سرعت زاویه ای اعمال شده، متناسب است. نمونه کاربردی این سیستم که توسط یک شرکت ژاپنی موراتا ساخته شد مطابق شکل 3-1 از یک تیر یک سر گیردار با مقطع مثلث متساوی الاضلاع بهره می برد، و بوسیله المان های پیزو الکتریک متصل به سطوح تیر، حس شده و تحریک می گردد. انتخاب سطح مقطع متساوی الاضلاع بدان دلیل است که محورهای خمشی یکسان می باشند. این شرایط تضمین کننده برابری فرکانس طبیعی تیر در امتداد محورهای ox و oy است. ولتاژAC اعمال شده به المان پیزو الکتریک سطح C باعث حرکت اولیه تیر در امتداد محور oy می شود. وقتی تیر به طور ثابت
حول محور طولی خود (oz) دوران می کند، اختلاف بین سیگنال های خروجی المان های پیزوالکتریک سطوح A وB سیگنال سینوسی است که به عنوان خروجی شناخته شده و دامنه متناسب با نرخ دوران می باشد.
شکل3-1- رزوناتور تیری شکل با مقطع مثلثی و المانهای پیزوالکتریک
رزوناتورهای پوسته ای را می توان به اشکال ناقوسی ، نیم کره ای و استوانه ای تقسیم بندی نمود که براساس تولید نیروی کوریولیس ناشی از دوران و انتقال انرژی بین دو مود ارتعاشی کار می کنند. از آنجایی که در این رزوناتورها، درحالت ایده آل کوپلینگ کوریولیس بین دو مود ارتعاشی متعامد، دارای شکل مود و فرکانس طبیعی برابر است، لذا به تغییر درجه حرارت حساسیت کمتری دارند. انواع نیم کره ای و استوانه ای دارای گستردگی بیشتری می باشند، که در این میان نوع نیم کره ای در مقایسه با استوانه دارای دقت بالاتر (دریفت کمتر از 0.005deg/h) والبته هزینه بیشتر می باشد.
پوسته نیم کره ای این رزوناتور بطور دقیق ماشین کاری شده و سپس به منظور کاهش ناهمگنی ها و خطای ماشین کاری بالانس دینامیکی می شوند. با اعمال یک سیگنالAC به المان های تحریک، پوسته شروع به نوسان در مود اول ارتعاش می کند. مود اول ارتعاش ناشی از دو موج با دامنه و سرعت
یکسان می باشد، که دوران اعمال شده حول محور طولی باعث اختلاف سرعت دو موج شده و نوسان پوسته را وارد مود دیگری می نماید که عمود بر مود اول ارتعاشی است. به ازای هر90° دوران، موقعیت شکم و گره های رزوناتور، با توجه به جهت دوران جابجا خواهد شد. مواردی مثل میرایی مادی و محیطی رزوناتور، میرایی ناشی از محل اتصال المان های سنسور و تحریک به بدنه رزوناتور، یکنواخت نبودن صافی سطح (صافی سطح یکنواخت زیر0.1μm) و لقی، از عمده منابع تولید دریفت در رزوناتور نیم کروی می باشد. مبنای عملکرد رزوناتورهای استوانه ای و حلقوی نیز همانند نیم کره ای است. پژوهشگران زیادی میکرو ژیروسکوپهای ارتعاشی را با استفاده از شتاب کوریولیس طی دهه گذشته طراحی نموده اند [5، 6، 7و8].
5-1- ساختارهای معمول میکروجایروها
ویژگی‌های ساختاری و ابعاد و اندازه‌های ژیروسکوپ‌های MEMS به نحوی است که دستیابی به دقت‌های مورد انتظار در کاربردهای هوا – فضایی مثل سیستم‌های ناوبری اینرسی، سیستم‌های هدایت و سیستم تعیین و کنترل وضعیت هواپیماها، موشک‌ها و فضاپیماها تاکنون بدست نیامده است. با توجه به اینکه زمینه میکروژیروسکوپ‌ها به عنوان یک شاخه علمی جوان مطرح بوده و هنوز در ابتدای راه می‌باشد، پاسخ به این سؤال که آیا در آینده‌ای نزدیک و حتی دور می‌توان انتظار دقت‌های بالا از این سنسورها را داشت یا خیر، می‌تواند یک بحث راهبردی باشد. زیرا در صورتی که جواب سؤال فوق منفی باشد برای کاربردهای فوق‌الذکر در صنعت هوا- فضا مجبور به بازگشت به ژیروسکوپ‌های متداول فعلی خواهیم بود و یا در غیر این صورت اگر نخواهیم به طور کامل از MEMS قطع امید کنیم، بایستی به دنبال ساختارهای جدید دیگری از میکروجایروها باشیم که قابلیت دستیابی به دقت‌های بالا در آنها متصور باشد.
ساختارهای معمول و موجود میکروجایروها از جنبه‌های ذیل بررسی و تبیین می‌گردد:
اصول عملکرد،‌ ویژگی‌های ساختمانی، نحوه تحریک و استخراج سیگنال خروجی

شما می توانید تکه های دیگری از این مطلب را با جستجو در همین سایت بخوانید

مدل‌های ریاضی و روابط دینامیکی
عوامل و منابع خطا و روش‌های احتمالی جبران‌سازی و کاهش آنها
حدود دقت و کاربردهای ممکنه
6-1- تقسیم بندی ساختاری میکروجایروها:
ساختارهای معمول میکروجایروها را در تقسیم‌بندی زیر می‌توان قرار داد:
1-6-1- میکروجایروی ارتعاشی نقطه‌ای
2-6-1- میکروجایروی ارتعاشی دیسکی
3-6-1- میکروجایروی موجی حلقوی
4-6-1- میکروجایروهای شاخه‌ای (دیاپازونی،‌ چند شاخه، شانه‌ای و تیرمرتعش)
5-6-1- میکروجایروهای اپتیکی (MOEMS)
1-6-1- میکروجایروی ارتعاشی نقطه‌ای (جرم متمرکز)
ژیروسکوپ‌های میکرو الکترومکانیکی ارتعاشی تخت (صفحه‌ای)، به عنوان ژیروسکوپ سرعتی(Rate Gyro)، کاربرد فراوان در موارد مختلف از جمله واقعیت مجازی،‌ ناوبری انفرادی، روباتیک و … دارند. شماتیک یک نمونه از این نوع ژیروسکوپ در شکل (4-1) نشان داده شده است،‌ شماره1 المان حساس ژیروسکوپ است که توسط فنرهای خمشی (شماره 4) به قاب (شماره 2) متصل شده؛ قاب نیز در جهت عمود بر آن توسط فنرهای خمشی (شماره 5) به بدنه ژیروسکوپ (شماره 6) متصل می‌گردد. ارتعاشات طبیعی جرم + قاب در جهت افقی توسط سیستم محرک الکترواستاتیکی (شماره 3) تشدید می‌گردد. درصورت چرخش بدنه ژیروسکوپ حول محور عمود بر صفحه المان حساس (محور ورودی ژیروسکوپ) نیروی کوریولیس ایجاد شده باعث بروز نوسانات جرم حساس در جهت عمود بر ارتعاشات تحریک در صفحه المان حساس (در شکل در جهت قائم با فلش نشان داده شده است) می‌گردد. با اندازه‌گیری دامنه این ارتعاشات می‌توان سرعت زاویه‌ای چرخش بدنه حول محور ورودی را مشخص نمود. به جز ساختار فوق‌الذکر که دارای قاب می‌باشد، نوع بدون قاب نیز وجود دارد، که همان اصول کار فوق را دارا می‌باشد، که سیستم تحریک مستقیما به جرم اینرسی متصل می‌گردد.

شکل 5-1- مدل دینامیکی شکل 4-1- یک نمونه میکروجایروی ارتعاشی نقطه‌ای
2-6-1- میکروجایروی ارتعاشی دیسکی
در این نوع میکروجایرو یک روتور دیسکی به چهار فنر عمود بر هم وصل گردیده و پایه فنرها نیز به صفحه زیر لایه (Substrate) متصل می‌باشد. روتور می‌تواند با توجه به درگیر بودن با فنرها حرکت رفت و برگشتی چرخشی در صفحه خود داشته باشد. این حرکت نوسانی در صورت وجود سرعت زاویه‌ای خارجی حول دو محور دیگر دیسک حرکت کوریولیس ژیروسکوپی را بروز می‌دهد که می‌توان از آن برای اندازه‌گیری سرعت زاویه‌ای بهره گرفت.( شکل6-1)
برای تشریح بهتر اگر به محور Z در شکل (6-1) توجه شود، حرکت نوسانی رفت و برگشتی روتور حول آن توسط سیستم تحریک، تشدید شده و حال اگر حول محور x و y حرکت زاویه‌ای در اثر گردش وسیله نقلیه پیدا شود، در محور سوم یک شتاب کوریولیس بوجود می‌آید، که عمود بر دو محور قبلی خواهد بود. این شتاب کوریولیس یک حرکت کوریولیس با دامنه‌ای متناسب با سرعت چرخش زاویه‌ای زیر لایه ایجاد می‌کند. با محاسبه دامنه این حرکت می‌‌توان نرخ چرخش بدنه جایرو را تعیین نمود.
ویژگی بارز میکروجایروی دیسکی دو محوری تقارن دایره‌ای المان حساس آن (روتور اینرسی) می‌باشد. وقتی روتور اینرسی نوسان می‌کند، چرخش زیر لایه در حول محور x (به عبارت ساده‌تر یعنی چرخش مثلاً هواپیما حول محور x) شتاب کوریولیس را در حول محور y بوجود می‌آورد. که آن نیز به نوبه خود نوعی نوسان مورب روتور را در حول محور y ایجاد می‌کند و چون جایروی مکانیکی حول دو محور عمود بر هم (x,y) متقارن است هر چرخش حول محور y نیز نوعی نوسان عمود در حول محور x را بوجود آورده و سرعت چرخش حول این محور نیز می‌تواند اندازه‌گیری شود و منتج به ایجاد یک جایروی نرخی (Rate Gyro) دو محوری گردد.

شکل-a6-1-
میکروجایروی ارتعاشی دیسکی

شکل-b6-1-
میکروجایروی ارتعاشی دیسکی و تقدم محورها

3-6-1- میکروجایروی موجی حلقوی
این نوع ژیروسکوپ با اقتباس ‌از ژیروسکوپ‌های(Hemispherical Resonator Gyroscope) HRG ساخته شده است و براساس آشکارسازی نیروی کوریولیس و در نهایت نرخ سرعت زاویه‌ای کار می‌کنند. این جایروها دارای انواع مختلفی هستند که در شکل‌های (a-7-1) تا (e-7-1) ساختار آنها مشاهده می‌شود. انواع ساختارهای جایروهای ارتعاشی حلقوی به شرح ذیل می‌باشند:
جایروی ارتعاشی حلقوی یک قوسی سیلیکونی. شکل (a-7-1)
جایروی ارتعاشی حلقوی دو قوسی با قوس‌های برابر. شکل (b-7-1)
جایروی ارتعاشی حلقوی تک کریستال سیلیکونی (SCS). شکل (c-7-1)
جایروی ارتعاشی حلقوی دو قوسی با قوس‌های نابرابر. شکل (d-7-1)
جایروی ارتعاشی حلقوی با تحریک و تشخیص مرکزی. شکل (e-7-1)
همان‌گونه که در اشکال فوق دیده می‌شود، انواع جایروهای حلقوی ساختارهای متفاوت دارند و این مسئله باعث شده است که از لحاظ دقت و فاکتور کیفیت و سایر خصوصیات نیز باهم تفاوت داشته باشند. در این ژیروسکوپ‌ها نیز نقایصی وجود دارد که از جمله مهمترین آنها خطای ساخت است و از مزایای بزرگ این سیستم‌ها آن است که به علت تقارن ساختاری، نسبت به تغییرات حرارت تا حدود زیادی تغییر رفتار نشان نمی‌دهند.
a b
C d e شکل 7-1- انواع ساختارهای جایروهای ارتعاشی حلقوی

4-6-1- میکرو جایروهای ارتعاشی شاخه‌ای
در این ژیروسکوپ‌ها نیز در یک جهت ارتعاشات خطی شاخه (تیر) تحریک و تشدید شده و از ارتعاشات ایجاد شده در محور دیگر به خاطر نیروی کوریولیس ناشی از دوران پایه ژیروسکوپ حول محور سوم (Ω) برای تشخیص و اندازه‌گیری سرعت دوران پایه استفاده می‌گردد. انواع موجود این میکروجایروها شامل 5 مورد زیر است:
1- ژیروسکوپ دو شاخه (دیاپازونی یک‌طرفه و دوطرفه)
2- ژیروسکوپ 3 شاخه
3- ژیروسکوپ‌ 4 شاخه (کوآپازون) Quapason
4- ژیروسکوپ‌های شانه‌ای (تیریک سردرگیر و تیرروی‌ دو تکیه‌گاه‌ مفصلی ‌یاد و سرگیردار)
5- ژیروسکوپ تیرمرتعش
شکل 8-1- دیاپازون سه‌شاخه و نحوه ارتعاش آن [5] شکل 9-1- کواپازون چهار شاخه

1-4-6-1) میکروجایرو دیاپازونی
اصول عملکرد جایروی دیاپازونی بدین صورت است که مود دوم ارتعاشات طبیعی دیاپازون (حرکت شاخه‌ها در خلاف جهت هم) در امتداد محور x توسط یک سیستم الکتریکی و یا مغناطیسی تحریک و تشدید می‌گردد، به طوریکه دامنه ثابتی برای این ارتعاشات برقرار گردد. وجود سرعت زاویهای پایه ژیروسکوپ باعث بروز شتاب کوریولیس و در نتیجه انحراف شاخکها در جهات مختلف میگردد. دامنه این انحراف متناسب با سرعت می باشد.
معمولترین نوع دراین خانواده، نوع دیاپازونی می‌باشد. انواع بزرگ این ژیروسکوپ‌ها اولین بار با وزن 7 کیلوگرم ساخته شد که علیرغم وزن زیاد، از دقت کافی برخوردار نبود. نوع کاملتر ژیروسکوپ دیاپازونی، نوع متقارن H شکل (دو طرفه) آن می‌باشد که دارای کارآئی و دقت بهتر می‌باشد. حساسیت به ارتعاشات خطی پایه ژیروسکوپ از معایب هر دو نوع می‌باشد (شکل 10-1). ژیروسکوپ‌های شانه‌ای از انواع ساختارهای کاملتر و کلی‌تر دیاپازونی و شاخه‌ایی هستند که به راحتی در IC ها تعبیه شده و ساختار صفحه‌ای را ایجاد می‌کنند.
در سال 2002، Seshia یک‌جایروی MEMS با اصول کارکرد اندازه‌گیری تشدید را ارائه نمود[1]. این جایرو با استفاده از فن‌آوری SNL IMEMS ساخته شده است. سنسور پلی سیلیکونی آن دارای ابعاد 2/1میلیمتر × 2/1 میلیمتر است و ضخامتی حدود 25/2 میکرومتر دارد. این سیستم شامل یک جرم حساس (Proof mass) معلق شده به وسیله فنر خمشی متصل به قاب خارجی صلب است. جرم حساس با استفاده از اکچویتورهای شانه تحریک جانبی نسبی به سمت فریم خارجی رانده می‌شود. شانه‌هائی جهت از بین بردن خطا و خود کنترلی اختصاص یافته‌اند. [8]

شکل10-1- میکروجایرو دیاپازونی
ساختارهای تک شاخه ساده‌ترین انواع ژیروسکوپ‌های شاخه‌ای هستند، که به خاطر اینکه فقط از یک تیر تشکیل شده‌اند، نیاز به تنظیم همسان و متقارن بودن ساختار نخواهد بود. شکل 11-1 نمای بالای یک میکروجایروی پیزوالکتریک را نشان می‌دهد. در این طراحی چهار سنسور تیری وجود دارند. هر سنسور تیری یک لایه پیزوالکتریک (PZT) دارد و در دو طرف آن دو لایه الکترود وجود دارد. ابعاد هرکدام از این لایه‌ها 800×380 میکرومتر می‌باشد. بنابر تاثیر مستقیم پیزوالکتریک، وقتی یک سیگنال AC ورودی به کار برده شود سنسور تیری شماره یک و سه فشرده شده و فرکانسی معادل آن سیگنال ورودی ایجاد می‌کند، این ساختار مرکزی و سنسور تیری وادار به ارتعاش در فرکانسی معادل فرکانس ورودی به کار رفته می‌شوند. ساختار شکل12-1یعنی تیر با دو تکیه‌گاه مفصلی، عملکرد بهتر و حساسیت کمتری دارد. مقطع تیر می‌تواند به شکل مربع و یا مثلث باشد. یک نوع با پروفیل مربعی که در آن از چهار عدد سلول پیزو الکتریک و ارتباط فیدبک برای اندازه‌گیری و تعیین سیگنال خروجی استفاده می‌شود، در مدار میرا کنندگی اتوپایلوت شرکت ‌بوئینگ استفاده شده است. در این ساختار به علت استفاده از بخش غیر خطی رفتار سلول پیزوالکتریک برای ورودی‌های کم، در عمل آستانه حساسیت ژیروسکوپ نسبتا بزرگ می‌باشد. این عیب در ژیروسکوپ‌های شرکت Gyrostar Murata با پروفیل مثلثی مقطع تیر برطرف شده است. در این نوع، 3 المان پیزوالکتریک نصب می‌گردد که دو تا از آنها برای استخراج سیگنال خروجی به کار می‌روند. شرکت Murata Gyrostar برای اولین بار این جایرو را در سال 1998 ارائه نمود و شرکت Systron Donner نیز بر روی تراشه‌هایش از آن استفاده کرد. جایرو مثلثی ارتعاشی پیزوالکتریکی دارای یک میله دوسرآزاد است که دارای مقطع مثلثی متساوی‌الاضلاع است و در طول میله شکل و ابعاد این مثلث هیچ تغییری نمی‌کند. جنس این میله از مواد کاملاً یکنواخت و الاستیک می‌باشد. سه قطعه سرامیک PE برروی سه وجه این میله قرار دارند.

شکل 11-1- نمای بالای یک میکروجایروی پیزوالکتریک شکل12-1- تیر با دو تکیه‌گاه مفصلی

دسته بندی : پایان نامه

پاسخ دهید