izmertechИзмерительная техникаIzmeritel`naya Tekhnika0368-10252949-5237ФГУП "ВНИИФТРИ"10.32446/0368-1025it.2022-5-50-55izmertech-1575Research ArticleЛИНЕЙНЫЕ И УГЛОВЫЕ ИЗМЕРЕНИЯLINEAR AND ANGULAR MEASUREMENTSРамочный микрооптоэлектромеханический преобразователь угловой скорости с узлами оптического считывания на основе оптического туннельного эффектаFrame micro-optoelectromechanical angular velocity transducer with optical readout units based on the optical tunneling effecthttps://orcid.org/0000-0002-9452-5785БусуринВ. И.BusurinV. I.

Владимир Игоревич Бусурин

Москва

Vladimir I. Busurin

 Moscow

vbusurin@mai.ruhttps://orcid.org/0000-0001-8922-7858КазарьянА. В.KazaryanA. V.

Александр Викторович Казарьян

Москва

 Alexander V. Kazaryan

 Moscow

kazaryan1@ya.ruШтекС. Г.ShtekS. G.

Сергей Георгиевич Штек

Москва

Sergey G. Shtek

Moscow

corund@gosniip.ruЖегловМ. А.ZheglovM. A.

Максим Александрович Жеглов 

Москва

Maksim A. Zheglov

Moscow

mazheglov@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0003-3316-5349ВасецкийС. О.VasetskiyS. O.

Станислав Олегович Васецкий

Москва

Stanislav O. Vasetskiy

Moscow

vasetskiyso@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0003-3613-8565ЧжиП. Л.KyP. L.

Чжи Пхай Линн

Москва

Phay L. Ky

Moscow

02thaelay1500@gmail.comМосковский авиационный институт (национальный исследовательский университет)РоссияMoscow Aviation instituteRussian FederationГосударственный научно-исследовательский институт приборостроенияРоссияState Research Institute of InstrumentationRussian Federation202204052023055055Copyright © ФГУП "ВНИИФТРИ", 20232023ФГУП "ВНИИФТРИ"ФГУП "ВНИИФТРИ"https://www.izmt.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://www.izmt.ru/jour/article/view/1575

Предложена модель рамочного микрооптоэлектромеханического преобразователя угловой скорости с электростатическим возбуждением первичных колебаний. В состав преобразователя входят узлы оптического считывания на основе оптического туннельного эффекта, в которых реализовано прецизионное оптическое считывание субмикрометровых перемещений чувствительного элемента. Экспериментально исследован узел оптического считывания и определена линейная область функции преобразования рабочего зазора в оптическую мощность. Для измерения амплитуды вторичных колебаний чувствительного элемента (несколько сотен нанометров) использовано два канала считывания оптических сигналов. Найдены значения параметров упругих подвесов для обеспечения вторичного движения чувствительного элемента в диапазоне высокой чувствительности узлов оптического считывания. Оценены параметры предложенного преобразователя и нелинейность функции преобразования в диапазоне измеряемых угловых скоростей. Предложенный микрооптоэлектромеханический преобразователь может быть эффективно использован для высокочувствительного измерения угловых скоростей подвижных объектов.

A model of a frame micro-optoelectromechanical angular velocity transducer with electrostatic excitation of primary oscillations is proposed. The transducer includes optical readout units based on the optical tunnel effect, in which precision optical reading of submicrometer movements of the sensing element is implemented. The optical reading unit was experimentally investigatedand the linear region of the function of converting the working gap into optical power was determined. To measure the amplitude of the secondary vibrations of the sensitive element (several hundreds of nanometers), two channels for reading optical signals were used. Values of the parameters of elastic suspensions are found to ensure the secondary movement of the sensitive element in the range of high sensitivity of the optical readout units. The parameters of the proposed transducer and the nonlinearity of the transformation function in the range of measured angular velocities are estimated. The proposed micro-optoelectromechanical transducer can be effectively used for highly sensitive measurement of the angular velocities of moving objects.

микрооптоэлектромеханический преобразовательугловая скоростьрамочный чувствительный элементоптическое считываниеоптический туннельный эффектотражательная способностьmicro-opto-electromechanical transducerangular velocityframe sensing elementoptical readoutoptical tunneling effectreflectivityReferencesКосцов Э. Г. Состояние и перспективы микро- и наноэлектромеханики // Автометрия. 2009. 45, № 3. С. 3–52.Kostsov E. G., Optoelectronics, Instrumentation and Data Processing, 2009, vol. 45, no 3, pp. 189–226. https://doi.org/10.3103/S8756699009030017Song W. J., Lee J. G., Kang T., Sung W. T., Lim H. T., Kim Y. K., Design of a gimbal-structured micro gyroscope and signal processing part, Proceedings of ICCAS, 2001, pp. 1266–1269.Song W. J., Lee J. G., Kang T., Sung W. T., Lim H. T., Kim Y. K., Design of a gimbal-structured micro gyroscope and signal processing part, Proceedings of ICCAS, 2001, pp. 1266–1269.Yazdi N., Ayazi F., Najafi K., Proceedings IEEE, 1998, vol. 86, no. 8, pp. 1640–1659. https://doi.org/10.1109/5.704269Yazdi N., Ayazi F., Najafi K., Proceedings IEEE, 1998, vol. 86, no. 8, pp. 1640–1659. https://doi.org/10.1109/5.704269Chi C. Y., Chen T. L., Compensation of imperfections for vibratory gyroscope systems using state observers, Sensors & Transducers, 2009, vol. 6, pp. 128–145.Chi C. Y., Chen T. L., Compensation of imperfections for vibratory gyroscope systems using state observers, Sensors & Transducers, 2009, vol. 6, pp. 128–145.ВьюжанинаЕ. А., КриштопВ. В.Дисковые резонаторы для датчиков угловой скорости // Известия высших учебных заведений. Приборостроение. 2020. Т. 63. № 9. С. 823–829. https://doi.org/10.17586/0021-3454-2020-63-9-823-829Vyuzhanina E. A., Krishtop V. V., Journal of Instrument Engineering, 2022, vol. 65. (In Russ.) https://doi.org/10.17586/0021-3454-2020-63-9-823-829Xia D., Huang L., Zhao L., Sensors, 2019, no. 19, 2798. https://doi.org/10.3390/s19122798Xia D., Huang L., Zhao L., Sensors, 2019, no. 19, 2798. https://doi.org/10.3390/s19122798Shen X., Zhao L., Xia D., Micromachines, 2019, vol. 10, no. 4, 264. https://doi.org/10.3390/mi10040264Shen X., Zhao L., Xia D., Micromachines, 2019, vol. 10, no. 4, 264. https://doi.org/10.3390/mi10040264Мурашкина Т. И., Бростилов С. А., Бростилова Т. Ю. Волоконно-оптический датчик давления на основе туннельного эффекта // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. 2010. № 4(16). С. 108–120.Murashkina T. I., Brostilov S. A., Brostilova T. Ju., Volokonno-opticheskij datchik davlenija na osnove tunnel’nogo jeffekta, Izvestija vysshih uchebnyh zavedenij. Povolzhskij region. Tehnicheskie nauki, 2010, no. 4(16), pp. 108–120. (In Russ.)Шварцбург А. Б. Туннелирование электромагнитных волн – парадоксы и перспективы // Успехи физических наук. 2007. Т. 177. № 1. С. 43–58. https://doi.org/10.3367/UFNr.0177.200701b.0043Shvarcburg A. B., Phys.-Usp., 2007, vol. 50, no. 1, pp. 37– 53. https://doi.org/ 10.1070/PU2007v050n01ABEH006148Борн М., Вольф Э. Основы оптики. 2-е изд., испр.: Пер. с англ. С. Н. Бреуса и др. / Под ред. Г. П. Мотулевич. М.: Наука, 1973. 719 с.Born M., Wolf E., Principles of Optics. Electromagnetic Theory of Propagation, Interference and Diff raction of Light, 7th edition, Cambridge University Press, 1999. https://doi.org/10.1017/CBO9781139644181Legtenberg R., Groeneveld A. W., Elwenspoek M., Journal of Micromechanics and microengineering, 1996, vol. 6, no. 3, 320. https://doi.org/10.1088/0960-1317/6/3/004Legtenberg R., Groeneveld A. W., Elwenspoek M., Journal of Micromechanics and microengineering, 1996, vol. 6, no. 3, 320. https://doi.org/10.1088/0960-1317/6/3/004Бусурин В. И., Жеглов М. А., Коробков В. В., Фам А. Т. Методы расширения диапазона измерения микрооптоэлектромеханического преобразователя угловых скоростей // Измерительная техника. 2017. № 6. С. 28–32.Busurin V. I., Korobkov V. V., Fam A. T., Zheglov M. A., Measurement Techniques, 2017, vol. 60, no 6, pp. 558–564. https://doi.org/10.1007/s11018-017-1234-z

The authors declare that there are no conflicts of interest present.