一種基于納米光柵檢測的新型陀螺儀的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種基于納米光柵檢測的新型陀螺儀，包括：鍵合基板、墊襯框體、支撐框體、驅動懸臂梁、可動框體、檢測懸臂梁、質量塊、激光光源、光電轉換器件、信號檢測模塊。根據本實用新型的微機械陀螺儀，其整體結構對稱，兩質量塊驅動方向相對，差分耦合輸出，結構合理、緊湊，應用納米光柵檢測，抗電磁干擾能力強，且具有靈敏度高、可靠性好的優勢。
【專利說明】一種基于納米光柵檢測的新型陀螺儀
【技術領域】
[0001]本發明涉及微慣性導航技術相關領域，具體而言，涉及一種基于納米光柵的微機械陀螺儀。
【背景技術】
[0002]目前，微機械(MEMS)陀螺儀常用的檢測方式是電容式和壓阻式，壓阻式是基于高摻雜硅的壓阻效應原理實現的，高摻雜硅形成的壓敏器件對溫度有較強的依賴性，其由壓敏器件組成的電橋檢測電路也會因溫度變化引起靈敏度漂移；電容式精度的提高是利用增大電容面積，由于器件的微小型化，其精度因有效電容面積的縮小而難以提高。
[0003]微機械陀螺儀對角速度的測量是靠檢測裝置實現力電轉換來完成的，主要手段是柯氏力引起的微位移檢測，其檢測靈敏度、分辨率是十分重要的，由于陀螺儀微型化和集成化，檢測的敏感區域隨之減小，故而使檢測的靈敏度、分辨率等指標已達到敏感區域檢測的極限狀態，從而限制了陀螺儀檢測精度的進一步提高，很難滿足現代軍事、民用裝備的需要。
[0004]應用光學方法測量微位移，可使微機械傳感器的靈敏度擺脫傳統電容邊緣效應、極板面積等的限制，具有光學精度，使微機械傳感器精度得到了很大的提高。已有技術將納米光柵應用于加速度計，指出其靈敏度理論上可達到10_9g，敏感部件位移測量精度可達到12fm/ V Hz。但是，由于MEMS陀螺儀主要基于微弱柯氏力的檢測，需要在非敏感方向諧振以實現有角速度輸入時，由于柯氏力的作用在敏感方向產生位移，而已有技術只是應用納米光柵對兩層分光柵之間的間距和光柵狹縫寬度敏感的原理，沒有創造出納米光柵的非敏感方向，不具備應用于陀螺儀的基本條件。目前，將納米光柵檢測應用于微機械陀螺未見報道。
【發明內容】
[0005]本發明旨在至少解決現有技術中存在的技術問題之一。
[0006]有鑒于此，本發明需要提供微機械陀螺儀，該微機械陀螺儀為一種基于納米光柵檢測的新型陀螺儀，采用對稱式差分耦合結構抑制納米光柵諧振噪聲，至少可以提高微機械陀螺儀的檢測靈敏度。
[0007]本發明提供一種基于納米光柵檢測的新型陀螺儀，包括:鍵合基板，鍵合基板中心布置有固定納米光柵；墊襯框體，墊襯框體設在鍵合基板上方并與鍵合基板相連接；支撐框體，支撐框體設在墊襯框體的上方并與墊襯框體相連接，且支撐框體設有固定梳齒；驅動懸臂梁，驅動懸臂梁與支撐框體和可動框體相連接，用于支撐可動框體；可動框體，可動框體由驅動懸臂梁支撐于支撐框體中心，并設有可動梳齒，在固定梳齒驅動下可沿驅動方向振動；檢測懸臂梁，檢測懸臂梁與可動框體和質量塊相連接，用于支撐微陀螺儀質量塊；
[0008]質量塊，質量塊通過檢測懸臂梁固定在可動框體中間，隨可動框體沿驅動方向振動，并相對于可動框體沿檢測方向振動，且質量塊中心布置可動納米光柵；[0009]激光光源，激光光源位于鍵合基板中心正下方，用于為納米光柵敏感結構提供光源；
[0010]光電轉換器件，光電轉換器件位于質量塊中心正上方，用于檢測透過納米光柵的光強，并將光強變化轉換為電信號；
[0011]信號檢測模塊，信號檢測模塊最早將電信號轉化為角速度信號。
[0012]根據本發明實施例的微機械陀螺儀，采用整體對稱結構設計，結構設計緊湊合理，既能充分利用空間，又能抑制驅動對檢測的影響，適合器件的自解耦和微型化。角速度的輸入將導致質量塊在水平方向發生位移，鍵合基板上布置的固定納米光柵和質量塊上布置的可動納米光柵共同組成了位移敏感部件，質量塊帶動可動納米光柵發生位移，導致柵距發生變化從而導致透射光強發生劇烈變化，該變化可以將微機械陀螺儀的靈敏度提高1-2個數量級。除以上特點外，該微陀螺應用差分耦合的檢測輸出方式消除可動納米光柵沿非敏感方向諧振導致的輸出噪聲，進一步提高靈敏度與信噪比，且檢測電路設計簡單、可靠性好、抗電磁干擾能力強。
[0013]根據本發明的一個實施例，所述的固定納米光柵包括多個單光柵，沿水平方向均勻間隔排列，光柵的周期和厚度小于激光光波波長，且固定納米光柵上表面與鍵合基板上表面相平。
[0014]根據本發明的一個實施例，所述的墊襯框體為矩形中空框體，其厚度小于激光光波波長，下表面與鍵合基板鍵和連接并且共同形成矩形凹槽。
[0015]根據本發明的一個實施例，所述的固定梳齒和可動梳齒位于可動框體上下方向，分別與支撐框體和可動框體相連接，在靜電力的作用下可驅動可動框體上下振動。
[0016]根據本發明的一個實施例，所述的驅動懸臂梁位于可動框體左右兩側，檢測懸臂梁位于質量塊的上下兩側，為隔離可動框體和質量塊在豎直方向的位移，驅動懸臂梁和檢測懸臂梁的厚度均大于它們的寬度。
[0017]根據本發明的一個實施例，所述的可動納米光柵包括多個單光柵，沿水平方向均勻間隔排列，光柵的周期和厚度小于激光光波波長，且可動納米光柵下表面與質量塊下表面相平。
[0018]同時，可動納米光柵與所述固定納米光柵上下交叉排列，即可動納米光柵的每個單光柵分別位于固定納米光柵兩單光柵組成的狹縫上方，可動納米光柵與固定納米光柵共同構成多個狹縫，狹縫間距小于激光光波波長。
[0019]且可動納米光柵的長度小于固定納米光柵長度。
[0020]根據本發明的一個實施例，所述的激光光源和光電轉換器件分別位于鍵合基板中心的正下方與正上方，即激光光源發出的光波可通過固定光柵與可動光柵照射到光電轉換器件，而光電轉換器件與信號檢測模塊相連接。
[0021]根據本發明的一個實施例，陀螺儀整體結構對稱，工作時兩質量塊驅動方向相對，即驅動相位相差180°，當有角速度輸入時，質量塊敏感位移大小相等，方向相對，應用差分耦合的檢測輸出方式消除可動納米光柵沿非敏感方向諧振導致的輸出噪聲，進一步提高靈敏度與信噪比。
[0022]本發明的附加方面和優點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發明的實踐了解到。【專利附圖】
【附圖說明】
[0023]本發明的上述和/或附加的方面和優點從結合下面附圖對實施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中:
[0024]圖1為本發明實施例的整體結構圖；
[0025]圖2為本發明實施例的整體結構的主視圖；
[0026]圖3為本發明實施例的圖2的A-A剖面圖；
[0027]圖4為本發明實施例的鍵合基板與墊襯框體結合體的平面結構圖；
[0028]圖5為本發明實施例的結構敏感原理示意圖；
[0029]圖6為本發明實施例的兩層納米光柵結構剖視局部放大圖；
[0030]圖7為本發明實施例的檢測方式示意圖；
[0031]圖8為本發明實施例的檢測系統框圖。
[0032]圖中所示，附圖標記清單如下:
[0033]1、鍵合基板，2、墊襯框體，3、支撐框體，4、驅動懸臂梁，5、可動框體，6、檢測懸臂梁，7、固定梳齒，8、可動梳齒，9、質量塊，10、可動納米光柵，11、固定納米光柵，12、激光光源，13、光電轉換器件，14、信號檢測模塊。
【具體實施方式】
[0034]下面詳細描述本發明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，僅用于解釋本發明，而不能理解為對本發明的限制。
[0035]在本發明的描述中，需要理解的是，術語“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，僅是為了便于描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。
[0036]在本發明的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規定和限定，術語“相連”、“連接”應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通。對于本領域的普通技術人員而言，可以具體情況理解上述術語在本發明中的具體含義。
[0037]納米光柵陀螺儀主要可用水平可調和垂直可調兩種檢測方式，其核心敏感器件為納米光柵，周期接近或小于光波長，基于近場光學耦合原理，屬矢量衍射理論。相比垂直可調陀螺儀方案，水平可調方案檢測靈敏度理論上要高出三個數量級。其基本原理為為:當光在均勻介質(如空氣)中傳播時，它表現為一系列沿傳播方向進行的平面波。當平面波遇到障礙時，它將因為障礙物的影響而發生改變。如果障礙物是一個狹縫，狹縫周圍有兩個主要區域，即近場區域和遠場區域。如果障礙物包括多個狹縫，衍射出來的波是由各個狹縫相互作用得到的。當狹縫的大小發生變化時，通過狹縫衍射出來的光強就會隨之發生改變。
[0038]以下結合附圖對本發明做進一步說明:
[0039]如圖1-2所示，根據本發明的實施例的微機械陀螺儀，整體采用對稱結構，包括:鍵合基板1，鍵合基板I中心布置有固定納米光柵11 ;墊襯框體2，墊襯框體2設在鍵合基板I上方并與鍵合基板I相連接；支撐框體3，支撐框體3設在墊襯框體2的上方并與墊襯框體2相連接，且支撐框體3設有固定梳齒7 ;驅動懸臂梁4，驅動懸臂梁4與支撐框體3和可動框體5相連接，用于支撐可動框體5 ;可動框體5，可動框體5由驅動懸臂梁4支撐于支撐框體中心3，并設有可動梳齒8，在固定梳齒7驅動下可沿驅動方向振動；檢測懸臂梁6，檢測懸臂梁6與可動框體5和質量塊9相連接，用于支撐微陀螺儀的質量塊9 ;質量塊9，質量塊9通過檢測懸臂梁6固定在可動框體5中間，可隨可動框5沿驅動方向振動，并可相對于可動框體5沿檢測方向振動，且質量塊9中心布置可動納米光柵10 ;激光光源12，激光光源12位于鍵合基板I中心正下方，用于為納米光柵敏感結構提供光源；光電轉換器件13，光電轉換器件13位于質量塊9中心正上方，用于檢測透過納米光柵的光強，并將光強變化轉換為電信號；信號檢測模塊14，信號檢測模塊最早將電信號轉化為角速度信號。
[0040]需要注意的是，所述的驅動懸臂梁4共四根，其參數相同，分別位于可動框體5左右兩側，檢測懸臂梁6共四根，其參數相同，分別位于質量塊的上下兩側，為隔離可動框體5和質量塊9在豎直方向的位移，驅動懸臂梁4和檢測懸臂梁6的厚度均大于它們的寬度。
[0041]所述的固定梳齒7和可動梳齒8位于可動框體5上下方向，分別與支撐框體3和可動框體5相連接，在靜電力的作用下可驅動可動框體5上下振動。
[0042]如圖2-4所示，根據本發明的一個實施例，所述的可動納米光柵10包括多個單光柵，沿水平方向均勻間隔排列，光柵的周期和厚度小于激光光波波長，且可動納米光柵10下表面與質量塊9下表面相平。其制作工藝可先從質量塊下方刻蝕到預定厚度用離子束光刻方式制備。所述的固定納米光柵11包括多個單光柵，沿水平方向均勻間隔排列，光柵的周期和厚度小于激光光波波長，且固定納米光柵11上表面與鍵合基板I上表面相平。其制作工藝可先從鍵合基板I下方刻蝕到預定厚度用離子束光刻方式制備。
[0043]所述的可動納米光柵10與所述的固定納米光柵11上下交叉排列，即可動納米光柵10的每個單光柵分別位于固定納米光柵11兩單光柵組成的狹縫上方，可動納米光柵10與固定納米光柵11共同構成多個狹縫，狹縫間距小于激光光波波長。
[0044]需要說明的是，可動納米光柵10的長度小于固定納米光柵11長度，以提供雙層納米光柵相對運動時的非敏感方向，使納米光柵檢測可應用于諧振式微機械陀螺儀。
[0045]如圖4所示，根據本發明的一個實施例，所述的墊襯框體2與鍵合基板I共同形成可為可動框體5和敏感質量塊9提供運動空間的矩形凹槽。需要說明的是，墊襯框體2的厚度應小于激光光波波長，同時，墊襯框體2可以不是必需的，也可以考慮先在鍵合基板I上刻蝕出一個矩形凹槽，然后再在此凹槽中制作固定納米光柵11，這樣矩形凹槽的提供體是一個整體而不再是組合體結構。
[0046]如圖5所示，根據本發明的一個實施例，兩個敏感質量塊9和可動框體5可分別在各自固定梳齒7與可動梳齒8的靜電驅動力作用下，沿驅動方向(Y軸方向)做線性簡諧振動，且兩質量塊驅動方向相對，即驅動相位相差180°，當陀螺儀在Z軸方向上有角速度輸入時，質量塊9根據驅動相位的不同，將分別受到沿X軸方正、負向大小相等的柯氏力的作用，產生柯氏加速度，質量塊9將在檢測方向(X軸)上產生進動同時帶動可動納米光柵10在檢測方向產生位移。
[0047]如圖6所示，根據本發明的一個實施例，當有角速度輸入時，可動納米光柵10在檢測方向產生位移，致使可動光柵10相對與固定光柵11在敏感方向發生位移，即狹縫間距h發生變化。
[0048]如圖7-8所示，根據本發明的一個實施例，激光光源12的中心波長范圍可以在600nm到850nm，激光光源12和光電轉換器件13分別位于固定納米光柵11中心的正下方與正上方，即激光光源12發出的光波可通過固定光柵11與可動光柵10照射到電轉換器件13，而光電轉換器件13與信號檢測模塊14相連接，當在有角速度輸入時，可動光柵10相對與固定光柵11間狹縫間距h發生變化，用激光光源12照射納米光柵，h的變化將導致照射到納米光柵的輸入光的反射光和透射光的能量改變，即投射到光電轉換器件13的光強發生變化，狹縫間距h的變化將引起投射光強發生劇烈的變化。這樣就可把一個微弱的柯氏力信號轉化為一個較大的光學信號，通過光電轉換器件13即可將光學信號轉換為電學信號，進一步通過信號檢測模塊14，通過應用差分耦合的檢測輸出方式消除可動納米光柵沿非敏感方向諧振導致的輸出噪聲，進一步提高靈敏度與信噪比，最終獲可得角速度的大小。需要說明的是，投射光亦可通過光纖引出檢測，則可能不必設置信號檢測模塊14。
[0049]在本說明書的描述中，參考術語“一個實施例”、“一些實施例”、“示意性實施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結合該實施例或示例描述的具體特征、結構、材料或者特點包含于本發明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術語的示意性表述不一定指的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特征、結構、材料或者特點可以在任何的一個或多個實施例或示例中以合適的方式結合。
[0050]盡管已經示出和描述了本發明的實施例，本領域的普通技術人員可以理解，在不脫離本發明的原理和宗旨的情況下可以對這些實施例進行多種變化、修改、替換和變型，本發明的范圍由權利要求及其等同物限定。
【權利要求】
1.一種基于納米光柵檢測的新型陀螺儀，其特性在于，包括: 鍵合基板(1)，鍵合基板(I)中心布置有固定納米光柵(11); 墊襯框體(2 )，墊襯框體(2 )設在鍵合基板(I)上方并與鍵合基板(I)相連接； 支撐框體(3 )，支撐框體(3 )設在墊襯框體(2 )的上方并與墊襯框體(2 )相連接，且支撐框體(3)設有固定梳齒(7)； 驅動懸臂梁(4 )，驅動懸臂梁(4 )與支撐框體(3 )和可動框體(5 )相連接，用于支撐可動框體(5)； 可動框體(5 )，可動框體(5 )由驅動懸臂梁(4 )支撐于支撐框體中心(3 )，并設有可動梳齒(8 )，在固定梳齒(7 )驅動下可沿驅動方向振動； 檢測懸臂梁(6)，檢測懸臂梁(6)與可動框體(5)和質量塊(9)相連接，用于支撐微陀螺儀質量塊(9)； 質量塊(9 )，質量塊(9 )通過檢測懸臂梁(6 )固定在可動框體(5 )中間，隨可動框體(5 )沿驅動方向振動，并相對于可動框體(5 )沿檢測方向振動，且質量塊(9 )中心布置可動納米光柵(10)； 激光光源(12)，激 光光源(12)位于鍵合基板(I)中心正下方，用于為納米光柵敏感結構提供光源； 光電轉換器件(13)，光電轉換器件(13)位于質量塊(9)中心正上方，用于檢測透過納米光柵的光強，并將光強變化轉換為電信號； 信號檢測模塊(14)，信號檢測模塊最早將電信號轉化為角速度信號。
2.根據權利要求1所述的新型陀螺儀，其特征在于，所述的固定納米光柵(11)包括多個單光柵，沿水平方向均勻間隔排列，光柵的周期和厚度小于激光光波波長，且所述固定納米光柵(11)上表面與鍵合基板(I)上表面相平。
3.根據權利要求1所述的新型陀螺儀，其特征在于，所述的墊襯框體(2)為矩形中空框體，其厚度小于激光光波波長，其下表面與鍵合基板(I)鍵和連接并且共同形成矩形凹槽。
4.根據權利要求1所述的新型陀螺儀，其特征在于，所述的固定梳齒(7)和可動梳齒(8 )位于可動框體(5 )上下方向，分別與支撐框體(3 )和可動框體(5 )相連接，在靜電力的作用下可驅動可動框體(5)上下振動。
5.根據權利要求1所述的新型陀螺儀，其特征在于，所述的驅動懸臂梁(4)位于可動框體(5 )左右兩側，檢測懸臂梁(6 )位于質量塊(9 )的上下兩側，為隔離可動框體(5 )和質量塊(9 )在豎直方向的位移，驅動懸臂梁(4 )和檢測懸臂梁(6 )的厚度均大于它們的寬度。
6.根據權利要求1所述的新型陀螺儀，其特征在于，所述的可動納米光柵(10)包括多個單光柵，沿水平方向均勻間隔排列，光柵的周期和厚度小于激光光波波長，且可動納米光柵(10)下表面與質量塊(9)下表面相平， 同時，可動納米光柵(10)與所述固定納米光柵(11)上下交叉排列，即可動納米光柵(10)的每個單光柵分別位于固定納米光柵(11)兩單光柵組成的狹縫上方，可動納米光柵(10)與固定納米光柵(11)共同構成多個狹縫，狹縫間距小于激光光波波長。
7.根據權利要求6所述的新型陀螺儀，其特征在于，可動納米光柵(10)的長度小于固定納米光柵(11)長度，以提供雙層納米光柵相對運動時的非敏感方向，使納米光柵檢測應用于諧振式微機械陀螺儀。
8.根據權利要求1所述的新型陀螺儀，其特征在于，所述的激光光源(12)和光電轉換器件(13)分別位于鍵合基板(I)中心的正下方與正上方，即激光光源(12)發出的光波可通過固定光柵(11)與可動光柵(10 )照射到光電轉換器件(13 )，而光電轉換器件與信號檢測模塊相 連接。
【文檔編號】G01C19/5726GK203605948SQ201320697940
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2013年11月6日 優先權日:2013年11月6日
【發明者】李孟委, 王莉, 朱京, 白曉曉, 王琪, 禇偉航, 劉俊 申請人:中北大學
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
