CN103557854B - 一种基于纳米光栅检测的新型陀螺仪 - Google Patents

一种基于纳米光栅检测的新型陀螺仪 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于纳米光栅检测的新型陀螺仪，包括：键合基板、垫衬框体、支撑框体、驱动悬臂梁、可动框体、检测悬臂梁、质量块、激光光源、光电转换器件、信号检测模块。根据本发明的微机械陀螺仪，其整体结构对称，两质量块驱动方向相对，差分耦合输出，结构合理、紧凑，应用纳米光栅检测，抗电磁干扰能力强，且具有灵敏度高、可靠性好的优势。

Description

一种基于纳米光栅检测的新型陀螺仪
技术领域
本发明涉及微惯性导航技术相关领域，具体而言，涉及一种基于纳米光栅的微机械陀螺仪。
背景技术
目前，微机械（MEMS）陀螺仪常用的检测方式是电容式和压阻式，压阻式是基于高掺杂硅的压阻效应原理实现的，高掺杂硅形成的压敏器件对温度有较强的依赖性，其由压敏器件组成的电桥检测电路也会因温度变化引起灵敏度漂移；电容式精度的提高是利用增大电容面积，由于器件的微小型化，其精度因有效电容面积的缩小而难以提高。
微机械陀螺仪对角速度的测量是靠检测装置实现力电转换来完成的，主要手段是柯氏力引起的微位移检测，其检测灵敏度、分辨率是十分重要的，由于陀螺仪微型化和集成化，检测的敏感区域随之减小，故而使检测的灵敏度、分辨率等指标已达到敏感区域检测的极限状态，从而限制了陀螺仪检测精度的进一步提高，很难满足现代军事、民用装备的需要。
应用光学方法测量微位移,可使微机械传感器的灵敏度摆脱传统电容边缘效应、极板面积等的限制,具有光学精度，使微机械传感器精度得到了很大的提高。已有技术将纳米光栅应用于加速度计，指出其灵敏度理论上可达到10-9g，敏感部件位移测量精度可达到 12fm/√Hz。但是，由于MEMS陀螺仪主要基于微弱柯氏力的检测，需要在非敏感方向谐振以实现有角速度输入时，由于柯氏力的作用在敏感方向产生位移，而已有技术只是应用纳米光栅对两层分光栅之间的间距和光栅狭缝宽度敏感的原理，没有创造出纳米光栅的非敏感方向，不具备应用于陀螺仪的基本条件。目前，将纳米光栅检测应用于微机械陀螺未见报道。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。
有鉴于此，本发明需要提供微机械陀螺仪，该微机械陀螺仪为一种基于纳米光栅检测的新型陀螺仪，采用对称式差分耦合结构抑制纳米光栅谐振噪声，至少可以提高微机械陀螺仪的检测灵敏度。
本发明提供一种基于纳米光栅检测的新型陀螺仪，包括：键合基板，键合基板中心布置有固定纳米光栅；垫衬框体，垫衬框体设在键合基板上方并与键合基板相连接；支撑框体，支撑框体设在垫衬框体的上方并与垫衬框体相连接，且支撑框体设有固定梳齿；驱动悬臂梁，驱动悬臂梁与支撑框体和可动框体相连接，用于支撑可动框体；可动框体，可动框体由驱动悬臂梁支撑于支撑框体中心，并设有可动梳齿，在固定梳齿驱动下可沿驱动方向振动；检测悬臂梁，检测悬臂梁与可动框体和质量块相连接，用于支撑微陀螺仪质量块；
质量块，质量块通过检测悬臂梁固定在可动框体中间，随可动框体沿驱动方向振动，并相对于可动框体沿检测方向振动，且质量块中心布置可动纳米光栅；
激光光源，激光光源位于键合基板中心正下方，用于为纳米光栅敏感结构提供光源；
光电转换器件，光电转换器件位于质量块中心正上方，用于检测透过纳米光栅的光强，并将光强变化转换为电信号；
信号检测模块，信号检测模块最早将电信号转化为角速度信号。
根据本发明实施例的微机械陀螺仪，采用整体对称结构设计，结构设计紧凑合理，既能充分利用空间，又能抑制驱动对检测的影响，适合器件的自解耦和微型化。角速度的输入将导致质量块在水平方向发生位移，键合基板上布置的固定纳米光栅和质量块上布置的可动纳米光栅共同组成了位移敏感部件，质量块带动可动纳米光栅发生位移，导致栅距发生变化从而导致透射光强发生剧烈变化，该变化可以将微机械陀螺仪的灵敏度提高1-2个数量级。除以上特点外，该微陀螺应用差分耦合的检测输出方式消除可动纳米光栅沿非敏感方向谐振导致的输出噪声，进一步提高灵敏度与信噪比，且检测电路设计简单、可靠性好、抗电磁干扰能力强。
根据本发明的一个实施例，所述的固定纳米光栅包括多个单光栅，沿水平方向均匀间隔排列，光栅的周期和厚度小于激光光波波长，且固定纳米光栅上表面与键合基板上表面相平。
根据本发明的一个实施例，所述的垫衬框体为矩形中空框体，其厚度小于激光光波波长，下表面与键合基板键和连接并且共同形成矩形凹槽。
根据本发明的一个实施例，所述的固定梳齿和可动梳齿位于可动框体上下方向，分别与支撑框体和可动框体相连接，在静电力的作用下可驱动可动框体上下振动。
根据本发明的一个实施例，所述的驱动悬臂梁位于可动框体左右两侧，检测悬臂梁位于质量块的上下两侧，为隔离可动框体和质量块在竖直方向的位移，驱动悬臂梁和检测悬臂梁的厚度均大于它们的宽度。
根据本发明的一个实施例，所述的可动纳米光栅包括多个单光栅，沿水平方向均匀间隔排列，光栅的周期和厚度小于激光光波波长，且可动纳米光栅下表面与质量块下表面相平。
同时,可动纳米光栅与所述固定纳米光栅上下交叉排列，即可动纳米光栅的每个单光栅分别位于固定纳米光栅两单光栅组成的狭缝上方，可动纳米光栅与固定纳米光栅共同构成多个狭缝，狭缝间距小于激光光波波长。
且可动纳米光栅的长度小于固定纳米光栅长度。
根据本发明的一个实施例，所述的激光光源和光电转换器件分别位于键合基板中心的正下方与正上方，即激光光源发出的光波可通过固定光栅与可动光栅照射到电转换器件,而光电转换器件与信号检测模块相连接。
根据本发明的一个实施例，陀螺仪整体结构对称，工作时两质量块驱动方向相对，即驱动相位相差180°，当有角速度输入时，质量块敏感位移大小相等，方向相对，应用差分耦合的检测输出方式消除可动纳米光栅沿非敏感方向谐振导致的输出噪声，进一步提高灵敏度与信噪比。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本发明实施例的整体结构图；
图2为本发明实施例的整体结构的主视图；
图3为本发明实施例的图2的A-A剖面图；
图4为本发明实施例的键合基板与垫衬框体结合体的平面结构图；
图5为本发明实施例的结构敏感原理示意图；
图6为本发明实施例的两层纳米光栅结构剖视局部放大图；
图7为本发明实施例的检测方式示意图；
图8为本发明实施例的检测系统框图。
图中所示，附图标记清单如下：
1、键合基板，2、垫衬框体，3、支撑框体，4、驱动悬臂梁，5、可动框体，6、检测悬臂梁，7、固定梳齿，8、可动梳齿，9、质量块，10、可动纳米光栅，11、固定纳米光栅，12、激光光源，13、光电转换器件，14、信号检测模块。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语 “相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
纳米光栅陀螺仪主要可用水平可调和垂直可调两种检测方式，其核心敏感器件为纳米光栅，周期接近或小于光波长，基于近场光学耦合原理，属矢量衍射理论。相比垂直可调陀螺仪方案，水平可调方案检测灵敏度理论上要高出三个数量级。其基本原理为为：当光在均匀介质（如空气）中传播时，它表现为一系列沿传播方向进行的平面波。当平面波遇到障碍时，它将因为障碍物的影响而发生改变。如果障碍物是一个狭缝，狭缝周围有两个主要区域，即近场区域和远场区域。如果障碍物包括多个狭缝，衍射出来的波是由各个狭缝相互作用得到的。当狭缝的大小发生变化时，通过狭缝衍射出来的光强就会随之发生改变。
以下结合附图对本发明做进一步说明：
如图1-2所示，根据本发明的实施例的微机械陀螺仪，整体采用对称结构，包括：键合基板1，键合基板1中心布置有固定纳米光栅11；垫衬框体2，垫衬框体2设在键合基板1上方并与键合基板1相连接；支撑框体3，支撑框体3设在垫衬框体2的上方并与垫衬框体2相连接，且支撑框体3设有固定梳齿7；驱动悬臂梁4，驱动悬臂梁4与支撑框体3和可动框体5相连接，用于支撑可动框体5；可动框体5，可动框体5由驱动悬臂梁4支撑于支撑框体中心3，并设有可动梳齿8，在固定梳齿7驱动下可沿驱动方向振动；检测悬臂梁6，检测悬臂梁6与可动框体5和质量块9相连接，用于支撑微陀螺仪的质量块9；质量块9，质量块9通过检测悬臂梁6固定在可动框体5中间，可随可动框5沿驱动方向振动，并可相对于可动框体5沿检测方向振动，且质量块9中心布置可动纳米光栅10；激光光源12，激光光源12位于键合基板1中心正下方，用于为纳米光栅敏感结构提供光源；光电转换器件13，光电转换器件13位于质量块9中心正上方，用于检测透过纳米光栅的光强，并将光强变化转换为电信号；信号检测模块14，信号检测模块最早将电信号转化为角速度信号。
需要注意的是，所述的驱动悬臂梁4共四根，其参数相同，分别位于可动框体5左右两侧，检测悬臂梁6共四根，其参数相同，分别位于质量块的上下两侧，为隔离可动框体5和质量块9在竖直方向的位移，驱动悬臂梁4和检测悬臂梁6的厚度均大于它们的宽度。
所述的固定梳齿7和可动梳齿8位于可动框体5上下方向，分别与支撑框体3和可动框体5相连接，在静电力的作用下可驱动可动框体5上下振动。
如图2-4所示，根据本发明的一个实施例，所述的可动纳米光栅10包括多个单光栅，沿水平方向均匀间隔排列，光栅的周期和厚度小于激光光波波长，且可动纳米光栅10下表面与质量块9下表面相平。其制作工艺可先从质量块下方刻蚀到预定厚度用离子束光刻方式制备。所述的固定纳米光栅11包括多个单光栅，沿水平方向均匀间隔排列，光栅的周期和厚度小于激光光波波长，且固定纳米光栅11上表面与键合基板1上表面相平。其制作工艺可先从键合基板1下方刻蚀到预定厚度用离子束光刻方式制备。
所述的可动纳米光栅10与所述的固定纳米光栅11上下交叉排列，即可动纳米光栅10的每个单光栅分别位于固定纳米光栅11两单光栅组成的狭缝上方，可动纳米光栅10与固定纳米光栅11共同构成多个狭缝，狭缝间距小于激光光波波长。
需要说明的是，可动纳米光栅10的长度小于固定纳米光栅11长度，以提供双层纳米光栅相对运动时的非敏感方向，使纳米光栅检测可应用于谐振式微机械陀螺仪。
如图4所示，根据本发明的一个实施例，所述的垫衬框体2与键合基板1共同形成可为可动框体5和敏感质量块9提供运动空间的矩形凹槽。需要说明的是，垫衬框体2的厚度应小于激光光波波长，同时，垫衬框体2可以不是必需的，也可以考虑先在键合基板1上刻蚀出一个矩形凹槽，然后再在此凹槽中制作固定纳米光栅11，这样矩形凹槽的提供体是一个整体而不再是组合体结构。
如图5所示，根据本发明的一个实施例，两个敏感质量块9和可动框体5可分别在各自固定梳齿7与可动梳齿8的静电驱动力作用下，沿驱动方向（Y轴方向）做线性简谐振动，且两质量块驱动方向相对，即驱动相位相差180°，当陀螺仪在Z轴方向上有角速度输入时，质量块9根据驱动相位的不同，将分别受到沿X轴方正、负向大小相等的柯氏力的作用，产生柯氏加速度，质量块9将在检测方向（X轴）上产生进动同时带动可动纳米光栅10在检测方向产生位移。
如图6所示，根据本发明的一个实施例，当有角速度输入时，可动纳米光栅10在检测方向产生位移，致使可动光栅10相对与固定光栅11在敏感方向发生位移，即狭缝间距h发生变化。
如图7-8所示，根据本发明的一个实施例，激光光源12的中心波长范围可以在600nm到850nm，激光光源12和光电转换器件13分别位于固定纳米光栅11中心的正下方与正上方，即激光光源12发出的光波可通过固定光栅11与可动光栅10照射到电转换器件13,而光电转换器件13与信号检测模块14相连接，当在有角速度输入时，可动光栅10相对与固定光栅11间狭缝间距h发生变化，用激光光源12照射纳米光栅，h的变化将导致照射到纳米光栅的输入光的反射光和透射光的能量改变，即投射到光电转换器件13的光强发生变化，狭缝间距h的变化将引起投射光强发生剧烈的变化。这样就可把一个微弱的柯氏力信号转化为一个较大的光学信号，通过光电转换器件13即可将光学信号转换为电学信号，进一步通过信号检测模块14，通过应用差分耦合的检测输出方式消除可动纳米光栅沿非敏感方向谐振导致的输出噪声，进一步提高灵敏度与信噪比，最终获可得角速度的大小。需要说明的是，投射光亦可通过光纤引出检测，则可能不必设置信号检测模块14。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解，在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种陀螺仪组合装置，采用基于纳米光栅检测的陀螺，其特征在于，所述陀螺仪组合装置整体结构对称，工作时两质量块驱动方向相对，即驱动相位相差180°，当有角速度输入时，质量块敏感位移大小相等，方向相对，应用差分耦合的检测输出方式消除可动纳米光栅沿非敏感方向谐振导致的输出噪声，进一步提高灵敏度与信噪比；
所述基于纳米光栅检测的陀螺仪，包括：
键合基板(1)，键合基板(1)中心布置有固定纳米光栅(11)；
垫衬框体(2)，垫衬框体(2)设在键合基板(1)上方并与键合基板(1)相连接；
支撑框体(3)，支撑框体(3)设在垫衬框体(2)的上方并与垫衬框体(2)相连接，且支撑框体(3)设有固定梳齿(7)；
驱动悬臂梁(4)，驱动悬臂梁(4)与支撑框体(3)和可动框体(5)相连接，用于支撑可动框体(5)；
可动框体(5)，可动框体(5)由驱动悬臂梁(4)支撑于支撑框体(3)中心，并设有可动梳齿(8)，在固定梳齿(7)驱动下可沿驱动方向振动；
检测悬臂梁(6)，检测悬臂梁(6)与可动框体(5)和质量块(9)相连接，用于支撑微陀螺仪质量块(9)；
质量块(9)，质量块(9)通过检测悬臂梁(6)固定在可动框体(5)中间，随可动框体(5)沿驱动方向振动，并相对于可动框体(5)沿检测方向振动，且质量块(9)中心布置可动纳米光栅(10)；
激光光源(12)，激光光源(12)位于键合基板(1)中心正下方，用于为纳米光栅敏感结构提供光源；
光电转换器件(13)，光电转换器件(13)位于质量块(9)中心正上方，用于检测透过纳米光栅的光强，并将光强变化转换为电信号；信号检测模块(14)，信号检测模块最早将电信号转化为角速度信号。
2.根据权利要求1所述的一种陀螺仪组合装置，其特征在于，所述的固定纳米光栅(11)包括多个单光栅，沿水平方向均匀间隔排列，光栅的周期和厚度小于激光光波波长，且所述固定纳米光栅(11)上表面与键合基板(1)上表面相平。
3.根据权利要求1所述的一种陀螺仪组合装置，其特征在于，所述的垫衬框体(2)为矩形中空框体，其厚度小于激光光波波长，其下表面与键合基板(1)键和连接并且共同形成矩形凹槽。
4.根据权利要求1所述的一种陀螺仪组合装置，其特征在于，所述的固定梳齿(7)和可动梳齿(8)位于可动框体(5)上下方向，分别与支撑框体(3)和可动框体(5)相连接，在静电力的作用下可驱动可动框体(5)上下振动。
5.根据权利要求1所述的一种陀螺仪组合装置，其特征在于，所述的驱动悬臂梁(4)位于可动框体(5)左右两侧，检测悬臂梁(6)位于质量块(9)的上下两侧，为隔离可动框体(5)和质量块(9)在竖直方向的位移，驱动悬臂梁(4)和检测悬臂梁(6)的厚度均大于它们的宽度。
6.根据权利要求1所述的一种陀螺仪组合装置，其特征在于，所述的可动纳米光栅(10)包括多个单光栅，沿水平方向均匀间隔排列，光栅的周期和厚度小于激光光波波长，且可动纳米光栅(10)下表面与质量块(9)下表面相平；
同时，可动纳米光栅(10)与所述固定纳米光栅(11)上下交叉排列，即可动纳米光栅(10)的每个单光栅分别位于固定纳米光栅(11)两单光栅组成的狭缝上方，可动纳米光栅(10)与固定纳米光栅(11)共同构成多个狭缝，狭缝间距小于激光光波波长。
7.根据权利要求6所述的一种陀螺仪组合装置，其特征在于，可动纳米光栅(10)的长度小于固定纳米光栅(11)长度，以提供双层纳米光栅相对运动时的非敏感方向，使纳米光栅检测应用于谐振式微机械陀螺仪。
8.根据权利要求1所述的一种陀螺仪组合装置，其特征在于，所述的激光光源(12)和光电转换器件(13)分别位于键合基板(1)中心的正下方与正上方，即激光光源(12)发出的光波可通过固定光栅(11)与可动光栅(10)照射到电转换器件(13)，而光电转换器件与信号检测模块相连接。
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