CN104296739A - 一种芯片级核磁共振原子陀螺仪表头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种芯片级核磁共振原子陀螺仪表头，包括密闭结构，位于密闭结构内的激光光源、光学组件、光电探测器件、MEMS原子泡玻璃，所述激光光源为两个，光学组件也为两个并分别位于激光光源下方，MEMS原子泡玻璃位于光学组件下方，光学探测器件为两个，其中一个位于MEMS原子泡玻璃下方并位于其中一个激光光源正下方，另一个位于MEMS原子泡玻璃上方，所述MEMS原子泡玻璃内设有两个硅基反射面，所述其中一个激光光源所产生的光束经过其中一个硅基反射面后反射至另一个硅基反射面后反射至另一个光学探测器件。本发明结构特殊，解决了现有陀螺仪表头磁场波动大、测量精度不高的问题，并且体积小，应用广泛。

Description

一种芯片级核磁共振原子陀螺仪表头

技术领域

本发明涉及一种原子陀螺仪表头，具体涉及一种芯片级核磁共振原子陀螺仪表头，属于导航系统领域。

背景技术

定位导航是一种对运动载体实现实时定向、定位、定姿和测速，并引导其到达目的地的一门技术，能广泛应用于海、陆、空及水下、地下等领域，对于我国国民经济建设和国防建设的发展具有重要的意义。在不同的定位导航系统中，惯性定位导航是唯一的全自主、实时、连续、隐蔽、不受干扰、无时间地域和环境限制的定位导航技术，已广泛应用于飞机、舰船、导弹、测绘、交通运输、工业控制等领域。

惯性导航系统的核心部件是陀螺仪，它决定了系统的精度、成本、体积。陀螺仪作为一种测量载体惯性角速率的传感器，它能够不依赖任何外界信息而测得运动载体的角速率数据，从而解算出载体的姿态。陀螺仪按原理可分为机电式陀螺仪、光学陀螺仪、MEMS陀螺仪、原子陀螺仪等。机电式陀螺仪和光学陀螺仪具有较高的精度，但体积大、成本高；MEMS陀螺仪体积小、成本低，但精度也低。因此，传统的三种陀螺仪都不能满足大规模民用的需求，仅在一些精度要求低或昂贵的系统中使用。

20世纪60年代开始，欧美等发达国家利用核磁共振现象研制原子陀螺仪。该陀螺仪由于没有活动部件，性能由气态原子本身决定，具有耐冲击振动、启动时间短、分辨率高等突出特点，成为各国竞相研制的热点。但由于受当时工艺、技术及后来出现并迅速崛起的激光陀螺仪影响，导致原子陀螺仪仅以理论研究和实验验证为主，并未实现批量生产和广泛应用。

近年来，随着芯片原子钟技术、激光技术和微加工技术的发展，制约原子陀螺仪微型化的关键技术得到突破，原子陀螺仪重新引起了人们的研究兴趣，成为新一代高精度、小体积、低成本陀螺仪的发展方向。

核磁共振原子陀螺仪利用核磁共振现象，通过各种检测技术来测量惯性物体的角速度(图1)。当具有磁矩u的自旋原子处于磁场强度为B₀的静磁场中时，每一个自旋原子都会如陀螺一般绕着B₀矢量方向产生进动，称之为拉莫尔进动，其进动角频率ω_L称为拉莫尔频率，方向与B₀一致，其大小为：

ω_L＝γB₀     (1)

式中γ为旋磁比，为原子核特征常数，与原子核运动无关。

若核磁共振原子陀螺仪本体坐标系的z轴与B₀趋向一致，且与静磁场B₀方向相同的抽运光将原子极化后，当陀螺仪绕z轴转动，转动角速度为ω_R，通过与静磁场B₀正交的探测光强变化可以探测到的转动角速度ω_obs为：

ω_obs＝ω_L+ω_R     (2)

由此可得：

ω_R＝ω_obs-ω_L＝ω_obs-γB₀     (3)

由于ω_obs，γ，B₀均为已知，故测量得陀螺仪绕z轴转动的角速度ω_R。由式(3)可知，磁场B₀的波动对于核磁共振原子陀螺仪探测信号的输出有极大的影响，因此设计上一定要尽量减小磁场波动。

核磁共振原子陀螺仪由表头部分和伺服电路部分组成，其中表头部分是制约其性能、功耗和体积的主要因素。表头部分主要由激光光源、光学组件、MEMS原子泡、三轴磁场线圈、无磁电加热模块、密闭结构、磁屏组件组成。激光系统产生两束传播方向正交的激光，一束为抽运光，一束为探测光。抽运光用于极化在磁场作用下发生拉莫尔进动的原子，方向与B0相同；探测光用于检测拉莫尔进动频率。原子气泡中包含碱金属原子、稀有气体原子和缓冲气体。无磁电加热模块将MEMS原子泡稳定在特定温度值，并且产生尽可能低的磁场；磁屏组件用于屏蔽外界的磁场波动。传统的MEMS原子泡为手工吹制玻璃泡。需要特别指出的是国内目前尚未原子陀螺仪原理样机，国外也仅有基于手工吹制玻璃泡的原子陀螺仪。

公开号为CN1967145A的中国发明专利公开了“一种微型原子陀螺仪”，此专利涉及的原子陀螺仪是基于冷原子干涉原理。实现冷原子干涉原子陀螺仪的前提是冷原子制备，该理论目前尚处于实验室验证阶段，尚无工程化产品出现。从目前的国内研究现状和该专利的具体描述来看，其装置至少应为数升。

发明内容

本发明的目的在于提供一种芯片级核磁共振原子陀螺仪表头，本发明基于核磁共振原理，与公开号为CN1967145A的“一种微型原子陀螺仪”有本质区别，最主要解决现有原子陀螺仪表头体积大、磁场波动大、测量精度不高的问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种芯片级核磁共振原子陀螺仪表头，包括密闭结构，位于密闭结构内的激光光源、光学组件、光电探测器件、MEMS原子泡，所述激光光源为两个，光学组件也为两个，并分别位于激光光源下方，MEMS原子泡玻璃位于光学组件下方，光学探测器件为两个，其中一个位于MEMS原子泡玻璃下方并位于其中一个激光光源正下方，另一个位于MEMS原子泡玻璃上方，所述MEMS原子泡玻璃内设有两个硅基反射面，所述其中一个激光光源所产生的光束经过其中一个硅基反射面后反射至另一个硅基反射面后反射至另一个光学探测器件。

具体地，所述两个激光光源分别为抽运光源、检测光源，所述抽运光源所产生的光束以法线方向入射并依次经过光学组件、MEMS原子泡玻璃至其中一个光学探测器件，所述检测光源所产生的光束以法线方向入射并依次经过光学组件、其中一个硅基反射面后正交，然后通过另一个硅基反射面后正交反射至另一个光学探测器件；所述两个激光光源由一个特定波长的纵腔面发射激光管分束产生，或由两个特定波长的纵腔面发射激光管分别产生。纵腔面发射激光管波长由MEMS原子泡内冲入的碱金属元素类型确定。

进一步地，所述光学组件包括透镜、偏振片或衰减片、1/4波片。光学组件使得激光源发出的光束变为一定光强、平行出射的圆偏光，并满足光束的入射和出射方向。

更进一步地，所述MEMS原子泡玻璃内包含由碱金属元素、惰性气体组成的MEMS原子泡。所述MEMS原子泡玻璃与硅基反射面通过阳极键合工艺组装。

再进一步地，所述MEMS原子泡玻璃的上下两面均设有无磁电加热模块。无磁电加热模块的作用是将MEMS原子泡控温到一定温度，一般情况下约为100℃，并且加热系统产生的磁场应尽可能的小，以减小其抖动对陀螺仪指标的影响。一般情况下，加热模块包括加热部分和感温部分，且加热部分和感温部分都应采用双绕线的方式，加热部分可采用电镀铟锡氧化物(ITO)薄膜或粘接软加热薄膜的工艺制成。

再进一步地，所述密闭结构外还缠绕有三轴磁场线圈。所述密闭结构外并位于三轴磁场线圈外还设有磁屏组件。三轴磁场线圈产生绕X轴，Y轴和Z轴三个轴的磁场，用于抵消MEMS原子泡处的干扰磁场，即实现主动磁补偿，降低环境磁场对陀螺仪输出的影响。磁屏组件的作用是实现被动磁补偿，以降低环境磁场对陀螺仪输出的影响。

另外，所述密闭结构为真空密闭结构，并采用非金属材料制作而成。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

(1)本发明的硅基反射面在MEMS原子气泡的硅基上刻蚀出反射面，其中一个硅基反射面使得检测光束与抽运光束正交，然后经过另一硅基反射面再将检测光束反射至另一个光电探测器件；这样可以避免采用额外光学组件实现检测光束与抽运光束正交，极大的减小了原子陀螺仪物理系统的体积；

(2)本发明的密闭结构将激光光源、光学组件、光电探测器件、MEMS原子泡组装密闭起来，同时也是三轴磁场线圈的载体；密闭结构用非金属材料制成，同时为真空封装，非金属材料不会被磁化，无干扰磁场，真空封装无空气对流，可提高MEMS原子泡的温度稳定性，真空封装下MEMS原子泡加热到同样的温度加热电流比非真空条件下要小得多，这可以降低加热电流引起的干扰磁场；

(3)本发明的无磁电加热模块将MEMS原子泡控温到一定温度，一般情况下约为100℃，并且加热系统产生的磁场很小，减小了抖动对陀螺仪指标的影响；

(4)本发明的三轴磁场线圈产生绕X轴、Y轴和Z轴三个轴的磁场，用于抵消MEMS原子泡处的干扰磁场，即实现主动磁补偿，降低环境磁场对陀螺仪输出的影响；

(5)本发明的磁屏组件实现被动磁补偿，以降低环境磁场对陀螺仪输出的影响；

(6)本发明结构特殊，解决了现有陀螺仪表头磁场波动大、测量精度不高的问题，并且体积小，应用广泛。

附图说明

图1为核磁共振原子陀螺仪工作原理图。

图2为本发明的结构示意图。

其中，图中附图标记对应的零部件名称为：

1-激光光源，2-光学组件，3-无磁电加热模块，4-MEMS原子泡玻璃，5-硅基反射面，6-光电探测器件，7-密闭结构，8-三轴磁场线圈，9-磁屏组件。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。

实施例

如图2所示，一种芯片级核磁共振原子陀螺仪表头，包括密闭结构7，位于密闭结构内的激光光源1、光学组件2、光电探测器件6、MEMS原子泡玻璃4、无磁电加热模块，所述激光光源为两个，分别为抽运光源、检测光源，光学组件也为两个并分别位于激光光源下方，MEMS原子泡玻璃位于光学组件下方，光学探测器件为两个，其中一个位于MEMS原子泡玻璃下方并位于抽运光源正下方，另一个位于MEMS原子泡玻璃上方，MEMS原子泡玻璃上下两面均设有无磁电加热模块3，MEMS原子泡玻璃内设有两个硅基反射面5，两个硅基反射面均呈45°并相对设置，一个硅基反射面位于检测光源正下方，另一个硅基反射面位于另一个光学探测器件正下方，检测光源所产生的光束以法线方向入射并依次经过光学组件、无磁电加热模块、其中一个硅基反射面后正交反射至另一个硅基反射面，然后正交反射至另一个光学探测器件；抽运光源所产生的光束以法线方向入射并依次经过光学组件、无磁电加热模块、MEMS原子泡玻璃至其中一个光学探测器件。

在本实施例中，抽运光源和检测光源由一个特定波长的纵腔面发射激光管分束产生，或由两个特定波长的纵腔面发射激光管分别产生。纵腔面发射激光管的波长由MEMS原子泡内充入的碱金属元素类型确定，例如，若碱金属为铷87，则波长为780nm或795nm；若碱金属为铯133，则波长为852nm或894nm。

在本实施例中，密闭结构外还缠绕有三轴磁场线圈8，所述密闭结构外并位于三轴磁场线圈外还设有磁屏组件9。三轴磁场线圈产生绕X轴，Y轴和Z轴三个轴的磁场，用于抵消MEMS原子泡处的干扰磁场，即实现主动磁补偿，降低环境磁场对陀螺仪输出的影响。磁屏组件的作用是实现被动磁补偿，以降低环境磁场对陀螺仪输出的影响。密闭结构将激光光源、光学组件、光电探测器件、MEMS原子泡组装密闭起来，同时也是三轴磁场线圈的载体。密闭结构用非金属材料制成，同时为真空封装，这样有三个好处：1)非金属材料不会被磁化，无干扰磁场；2)真空封装无空气对流，可提高MEMS原子泡的温度稳定性；3)真空封装下MEMS原子泡加热到同样的温度加热电流比非真空条件下要小得多，这可以降低加热电流引起的干扰磁场。

光学组件包括透镜、偏振片或衰减片、1/4波片。光学组件使得激光光源发出的光束变为一定光强、平行出射的圆偏光，并满足如图2图示的入射和出射方向。

无磁电加热模块的作用是将MEMS原子泡控温到一定温度，一般情况下约为100℃，并且加热系统产生的磁场应尽可能的小，以减小其抖动对陀螺仪指标的影响。一般情况下，无磁电加热模块包括加热部分和感温部分，加热部分和感温部分都应采用双绕线的方式，加热部分可采用电镀铟锡氧化物(ITO)薄膜或粘接软加热薄膜的工艺制成。

MEMS原子泡玻璃内包含由碱金属元素、惰性气体组成的MEMS原子泡。所述MEMS原子泡玻璃与硅基反射面通过阳极键合工艺组装。MEMS原子泡玻璃上层为检测光束的输入/输出面和抽运光束的输入面，MEMS原子泡玻璃下层为抽运光束的输出面。硅基反射面在MEMS原子气泡的硅基上刻蚀出反射面，其中一个硅基反射面使得检测光束与抽运光束正交，然后经过另一硅基反射面再将检测光束反射至另一个光电探测器件。这样可以避免采用额外光学组件实现检测光束与抽运光束正交，极大的减小了原子陀螺仪物理系统的体积。

光电探测器件用以探测激光光源产生的抽运光束和检测光束信号，通过二次解调检测光信号，可以获得载体转动角速度信息。利用探测得的抽运光的多普勒背景吸收峰稳定激光光源的频率和功率。光电探测器件可采用光电池或光电二极管。

按照上述实施例，便可很好地实现本发明。值得说明的是，基于上述结构设计的前提下，为解决同样的技术问题，即使在本发明上做出的一些无实质性的改动或润色，所采用的技术方案的实质仍然与本发明一样，故其也应当在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种芯片级核磁共振原子陀螺仪表头，其特征在于，包括密闭结构（7），

位于密闭结构内的激光光源（1）、光学组件（2）、光电探测器件（6）、MEMS原子泡玻璃（4），所述激光光源为两个，光学组件也为两个，并分别位于激光光源下方，MEMS原子泡玻璃位于光学组件下方，光学探测器件为两个，其中一个位于MEMS原子泡玻璃下方并位于其中一个激光光源正下方，另一个位于MEMS原子泡玻璃上方，所述MEMS原子泡玻璃内设有两个硅基反射面（5），所述其中一个激光光源所产生的光束经过其中一个硅基反射面后反射至另一个硅基反射面，然后反射至另一个光学探测器件。

2.根据权利要求1所述的一种芯片级核磁共振原子陀螺仪表头，其特征在于，所述两个激光光源分别为抽运光源、检测光源，所述抽运光源所产生的光束以法线方向入射并依次经过光学组件、MEMS原子泡玻璃至其中一个光学探测器件，所述检测光源所产生的光束以法线方向入射并依次经过光学组件、其中一个硅基反射面后正交，然后通过另一个硅基反射面后正交反射至另一个光学探测器件；所述两个激光光源由一个特定波长的纵腔面发射激光管分束产生，或由两个特定波长的纵腔面发射激光管分别产生。

3.根据权利要求2所述的一种芯片级核磁共振原子陀螺仪表头，其特征在于，所述光学组件包括透镜、偏振片或衰减片、1/4波片。

4.根据权利要求3所述的一种芯片级核磁共振原子陀螺仪表头，其特征在于，所述MEMS原子泡玻璃内包含由碱金属元素、惰性气体组成的MEMS原子泡。

5.根据权利要求4所述的一种芯片级核磁共振原子陀螺仪表头，其特征在于，所述MEMS原子泡玻璃与硅基反射面通过阳极键合工艺组装。

6.根据权利要求1-5任意一项所述的一种芯片级核磁共振原子陀螺仪表头，其特征在于，所述MEMS原子泡玻璃的上下两面均设有无磁电加热模块（3）。

7.根据权利要求6所述的一种芯片级核磁共振原子陀螺仪表头，其特征在于，所述密闭结构外还缠绕有三轴磁场线圈（8）。

8.根据权利要求7所述的一种芯片级核磁共振原子陀螺仪表头，其特征在于，所述密闭结构外并位于三轴磁场线圈外还设有磁屏组件（9）。

9.根据权利要求8所述的一种芯片级核磁共振原子陀螺仪表头，其特征在于，所述密闭结构为真空密闭结构，并采用非金属材料制作而成。