CN105066979A - 一种基于纳米光栅检测的高q值微机械陀螺结构 - Google Patents

Abstract

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检测的高Q值微机械陀螺结构。所述微机械陀螺结构具有一设置固定纳米光栅的凸台，所述凸台实现减小下层固定结构和上层可动结构间的交叠面积。本发明将下层固定光栅设置在一个凸台上，减小了下层固定结构与上层可动结构间的交叠面积，当微机械陀螺的质量块在柯氏力的作用下产生水平位移时，上下两层结构间的滑膜阻尼系数大大减小，增大了该微机械陀螺的结构灵敏度，将基于纳米光栅检测的微机械陀螺的结构灵敏度提高1~2个数量级，其整体结构紧凑，具有灵敏度高的优势。

Description

一种基于纳米光栅检测的高Q值微机械陀螺结构

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检测的高Q值微机械陀螺结构。

背景技术

微机械陀螺的核心技术是对微弱柯氏力引起的微应力或微位移进行检测。随着器件微型化，检测局限性越来越多，限制了陀螺检测灵敏度的进一步提高。目前微机械陀螺主要有：压阻式微机械陀螺、电容式微机械陀螺、压电式微机械陀螺以及石英微陀螺等。压阻式微机械陀螺的灵敏度较低，固有的温度效应极大地限制了其应用；目前广泛应用的微机械陀螺是电容式微机械陀螺，但随着微陀螺的进一步微型化，电容式微机械陀螺梳齿电压容易击穿，制造工艺精度要求较高，电路复杂，易受电磁干扰；压电式微机械陀螺零点容易漂移，需要经常校正，归零慢，不宜连续测试；石英微陀螺中的石英晶体自身材料特性决定了其在Z轴(光轴)方向上完全没有压电效应，这也在一定程度上限制了其在多轴检测方面的应用。

现有的微机械陀螺仪都具有其局限性，限制了微机械陀螺仪的进一步发展。微机械陀螺仪中的柯氏力非常微弱，产生的应力或位移非常微小，对其进行精确检测需要极高的检测灵敏度和分辨能力。而纳米光栅对微位移检测具有高分辨率、低噪声的优点，其分辨率可达fm级，噪声可接近热噪声极限。美国Sandia实验室制作的基于纳米光栅检测的加速度计，该器件的灵敏度为598V/g，分辨率为非常接近其热噪声极限水平是精度最高的MOEMS加速度计。因此，从理论和技术发展趋势上分析，将二者结合起来，采用纳米光栅检测微机械陀螺产生的微位移具有可行性。在实用新型专利“一种基于纳米光栅检测的新型陀螺仪”中(申请号为：201320697940.1)，它也是采用纳米光栅检测的微机械陀螺结构，但是该微机械陀螺的上下两层结构间的阻尼系数太大，最终导致该微机械陀螺结构的灵敏度太小，而本发明通过将下层结构设计成一个凸台，减小了上下两层结构间的有效交叠面积，最终将微机械陀螺的灵敏度提高了1-2个数量级。本发明的采用的纳米光栅检测是基于面内检测的，而实用新型专利“一种基于纳米光栅检测的新型陀螺仪”中采用的是离面检测，根据国内外研究可知，面内检测的纳米光栅效应灵敏度要比离面检测的纳米光栅效应灵敏度高3个数量级，而且本发明的微陀螺结构与实用新型专利“一种基于纳米光栅检测的新型陀螺仪”的微陀螺结构是完全不同的，可以看出，本发明的实用性和前景更加宽广。

发明内容

本发明旨在解决现有的基于纳米光栅检测的微机械陀螺双层结构间的阻尼系数太大、Q值太小的问题。

为了有效解决上述问题，本发明提出一种基于纳米光栅检测的高Q值微机械陀螺结构。由于双层纳米光栅间的间距很近，微机械陀螺结构的阻尼系数必然会很大，本发明中，通过将下层结构设计成一个凸台，减小上下两层结构间的交叠面积，可以减小双层结构间的阻尼系数，从而增大Q值，本发明拟提高该微机械陀螺结构的Q值1-2个数量级。

一种基于纳米光栅检测的高Q值微机械陀螺结构，所述微机械陀螺结构具有一设置固定纳米光栅的凸台，所述凸台实现减小下层固定结构和上层可动结构间的交叠面积。

进一步地，所述微机械陀螺结构还包括一支撑框体，所述支撑框体设置在凸台上方，所述凸台中心处设置固定纳米光栅；所述支撑框体中心处设置可动结构。

进一步地，所述可动结构包括可动框体及质量块，所述质量块通过检测悬臂梁固定在可动框体中间；

所述可动框体通过驱动悬臂梁、连接块与所述支撑框体连接。

进一步地，所述质量块正中心设有凹槽，所述凹槽中间位置设有可动纳米光栅，所述可动纳米光栅与所述固定纳米光栅位置相对应。

进一步地，所述凸台正下方设有用于为纳米光栅提供光源的激光光源；

在所述可动纳米光栅正上方设有用于检测透过过纳米光栅的光强、并将检测到的光强转换为电信号的光电转换模块，所述光电转换模块边侧设置用于将光电转换模块获得的电信号转换为角速度信号的信号检测模块。

进一步地，所述连接块连接在支撑框体上，所述可动框体通过四根驱动悬臂梁连接在连接块上，所述检测悬臂梁的数量也为四根。

进一步地，所述连接块、驱动悬臂梁和可动框体布置有电磁驱动导线。

本发明中的微机械陀螺结构，凸台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位移敏感器件，质量块产生水平位移将带动可动纳米光栅发生位移，该微位移将导致透射的光强发生剧烈变化，通过检测光强的变化就能得到输入角速度的大小，基于纳米光栅检测的微机械陀螺拟将微机械陀螺的灵敏度提高一到两个数量级。

本发明将下层固定光栅设置在一个凸台上，减小了下层固定结构与上层可动结构间的交叠面积，当微机械陀螺的质量块在柯氏力的作用下产生水平位移时，上下两层结构间的滑膜阻尼系数大大减小，增大了该微机械陀螺的结构灵敏度，将基于纳米光栅检测的微机械陀螺的结构灵敏度提高1-2个数量级，其整体结构紧凑，具有灵敏度高的优势。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点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为本发明实施例的微机械陀螺结构整体结构原理图；

图2为本发明实施例的微机械陀螺结构凸台结构图；

图3为本发明实施例的微机械陀螺结构上层可动结构图；

图4为本发明实施例的微机械陀螺结构上层可动结构俯视图；

图5为本发明实施例的微机械陀螺结构敏感原理图；

图6为本发明实施例的双层纳米光栅结构图。

图中所示，附图标记清单如下：

1、支撑框体；2、质量块；3、可动纳米光栅；4、连接块；5、检测悬臂梁；6、可动框体；7、电磁驱动导线；8、驱动悬臂梁；9、凹槽；10、凸台；11、激光光源；12、固定纳米光栅；13、光电转换模块；14、信号检测模块。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明，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表示相同或类似的原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。

在本发明中，需要解释的是，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，仅是为了便于描述和简化描述本发明，而不是指示或暗示所指的结构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”应做广义解释，例如：可以固定连接，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；可以是直接连接，也可以是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，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

基于纳米光栅检测的高Q值微机械陀螺主要可用水平和垂直可调检测方式，相比于垂直可调的微机械陀螺，水平可调的微机械陀螺仪的精度要高三个数量级。其基本工作原理是：由电磁驱动内框带动质量块在驱动方向谐振，当有角速度ω输入时，由于柯氏效应，质量块将受到沿检测方向的柯氏力作用，致使可动光栅相对于固定光栅发生位移，微弱的距离变化将导致透过纳米光栅的衍射光强发生剧烈变化，光电探测器检测衍射光强的变化，通过信号检测电路最终可获得角速度的大小。

纳米光栅微机械陀螺的敏感结构为双层水平可调纳米光栅，为保证动静光栅加工精度需进行一次性精密加工，同时可保证加工表面的光滑度。为了获得更好的条文对比度，第二个光栅必须位于第一个光栅的Talbot平面内，两光栅的间隙误差必须小于Talbot周期d/λ(d为光栅栅距，λ为光源波长)的10％。

以下结合附图对本发明做进一步说明：

如图1-3所示，激光光源1、固定纳米光栅12、可动纳米光栅3和光电转换模块13在一条直线上，下层固定纳米光栅12布置在凸台10上，通过凸台10来减小上下两层结构间的阻尼系数。

进一步地，该微机械陀螺结构有上下两层结构，上层结构为质量块2，下层结构为凸台10。质量块2在面内运动，下层凸台固定不动，所以两层结构间将会产生滑膜阻尼系数，由滑膜阻尼系数公式可知：

$C=\frac{\mathrm{\μ}A}{d}---\left(1\right)$

式中，μ为气体的粘度系数，A为质量块2与凸台10之间的交叠面积，d为微陀螺结构上下两层结构间的间距。由公式(1)可知，μ和d都是固定不变的，所以减小上下两层结构间的交叠面积，即可减小滑膜阻尼系数。微机械陀螺的品质因素可表示为：

$Q=\frac{2\mathrm{\π}fm}{c}---\left(2\right)$

式中，f为质量块2的固有频率，m为质量块2的质量，c为上下两层结构间滑膜阻尼系数，即公式(1)中的滑膜阻尼系数。由公式(2)可以看出，当滑膜阻尼系数越小，微陀螺结构的Q值将会越大，它们之间是反比关系。将公式(1)代入公式(2)中去，可得：

$Q=\frac{2\mathrm{\π}fmd}{\mathrm{\μ}A}---\left(3\right)$

如图4所示，质量块2设计在2500μm×2500μm的平面区域内，如果下层固定结构没有设计成凸台10，而是一个2500μm×2500μm的台子，则上下两层结构间的交叠面积A₁＝2500μm×2500μm＝6.25×10⁶μm²；现在我们将下层固定结构设计成凸台10，尺寸为300μm×500μm，则上下两层结构间的交叠面积A₂＝300μm×500μm＝1.5×10⁵μm²，A₁/A₂＝41.7，所以将下层固定结构设计成凸台10将会提高Q的大小41.7倍，这对于提高微机械陀螺的结构灵敏度有着至关重要的作用。微机械陀螺的结构灵敏度为：

$S_y=\frac{B_y}{\mathrm{\Ω}}$

$=\frac{2F_0\mathrm{\ω}}{m_x{\mathrm{\ω}}_x^2{\mathrm{\ω}}_y^2}\·\frac{1}{\sqrt{{\left(1-{\left(\frac{\mathrm{\ω}}{{\mathrm{\ω}}_x}\right)}^2\right)}^2+\frac{1}{Q_x^2}\left(\frac{\mathrm{\ω}}{{\mathrm{\ω}}_x}\right)}}\·\frac{1}{\sqrt{{\left(1-{\left(\frac{\mathrm{\ω}}{{\mathrm{\ω}}_y}\right)}^2\right)}^2+\frac{1}{Q_y^2}{\left(\frac{\mathrm{\ω}}{{\mathrm{\ω}}_y}\right)}^2}}---\left(4\right)$

式中，B_y为微陀螺质量块2在检测方向的位移幅值，Ω为输入的角速度，F₀为驱动力的幅值，ω为驱动力的角频率，m_x为微陀螺的驱动质量，ω_x、ω_y为驱动方向和检测方向的固有频率，Q_x、Q_y为微陀螺在驱动模态和检测模态的品质因素。当微机械陀螺在工作状态时，即外界驱动频率等于驱动模态固有频率时，灵敏度为：

$\begin{array}{c}{S}_y=\frac{B_y}{\mathrm{\Ω}}\\ =\frac{2F_0{\mathrm{\ω}}_x}{m_x{\mathrm{\ω}}_x^2{\mathrm{\ω}}_y^2}\·\frac{1}{\sqrt{{\left(1-{\left(\frac{{\mathrm{\ω}}_x}{{\mathrm{\ω}}_x}\right)}^2\right)}^2+\frac{1}{Q_x^2}\left(\frac{{\mathrm{\ω}}_x}{{\mathrm{\ω}}_x}\right)}}\·\frac{1}{\sqrt{{\left(1-{\left(\frac{{\mathrm{\ω}}_x}{{\mathrm{\ω}}_y}\right)}^2\right)}^2+\frac{1}{Q_y^2}{\left(\frac{{\mathrm{\ω}}_x}{{\mathrm{\ω}}_y}\right)}^2}}\\ =\frac{2F_0\mathrm{\ω}}{m_x{\mathrm{\ω}}_x^2{\mathrm{\ω}}_y^2}\·Q_x\·\frac{1}{\sqrt{{\left(1-{\left(\frac{{\mathrm{\ω}}_x}{{\mathrm{\ω}}_y}\right)}^2\right)}^2+\frac{1}{Q_y^2}{\left(\frac{{\mathrm{\ω}}_x}{{\mathrm{\ω}}_y}\right)}^2}}\end{array}---\left(5\right)$

如公式(5)所示，微机械陀螺的Q值越大，其结构灵敏度将会越大。

进一步地，上层可动纳米光栅3布置在凹槽9上；凹槽9设计在质量块2的中心位置，质量块2的运动将带动可动纳米光栅3一起运动；质量块2又通过检测悬臂梁5连接在可动框体6上，其中，检测悬臂梁5有四根，其长、宽、厚都是一致的；可动框体6通过四根驱动悬臂梁8连接在连接块4上，其中驱动悬臂梁8的长、宽、厚都是一致的；连接块4连接在支撑框体1上；电磁驱动导线7布置在连接块4、驱动悬臂梁8和可动框体6上，且质量块2两侧的电磁驱动导线7是严格对称分布的。

如图5所示，该图是本发明实施例的微机械陀螺结构敏感原理图，在电磁驱动导线7的作用下，质量块2将会在驱动方向(X方向)上做线性简谐振动，当陀螺仪受到Z轴的角速度时，质量块2将受到沿检测方向(Y方向)上的柯氏力，由于柯氏力的作用，质量块2将会在检测方向(Y轴)产生位移。同时，布置在质量块2上的可动纳米光栅3随着质量块2一起做水平运动。

如图6所示，可动纳米光栅3和固定纳米光栅12在水平方向产生位移，即狭缝间距h发生变化，当狭缝间距h发生变化时，将导致照射到双层纳米光栅的衍射光的光强发生剧烈变化，通过光电转换模块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获得角速度的大小。

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和示例。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 (7)

1.一种基于纳米光栅检测的高Q值微机械陀螺结构，其特征在于，所述微机械陀螺结构具有一设置固定纳米光栅的凸台，所述凸台实现减小下层固定结构和上层可动结构间的交叠面积。

2.根据权利要求1所述的一种基于纳米光栅检测的高Q值微机械陀螺结构，其特征在于，所述微机械陀螺结构还包括一支撑框体，所述支撑框体设置在凸台上方，所述凸台中心处设置固定纳米光栅；所述支撑框体中心处设置可动结构。

3.根据权利要求2所述的一种基于纳米光栅检测的高Q值微机械陀螺结构，其特征在于，所述可动结构包括可动框体及质量块，所述质量块通过检测悬臂梁固定在可动框体中间；

所述可动框体通过驱动悬臂梁、连接块与所述支撑框体连接。

4.根据权利要求3所述的一种基于纳米光栅检测的高Q值微机械陀螺结构，其特征在于，所述质量块正中心设有凹槽，所述凹槽中间位置设有可动纳米光栅，所述可动纳米光栅与所述固定纳米光栅位置相对应。

5.根据权利要求4所述的一种基于纳米光栅检测的高Q值微机械陀螺结构，其特征在于，所述凸台正下方设有用于为纳米光栅提供光源的激光光源；

在所述可动纳米光栅正上方设有用于检测透过过纳米光栅的光强、并将检测到的光强转换为电信号的光电转换模块，所述光电转换模块边侧设置用于将光电转换模块获得的电信号转换为角速度信号的信号检测模块。

6.根据权利要求3所述的一种基于纳米光栅检测的高Q值微机械陀螺结构，其特征在于，所述连接块连接在支撑框体上，所述可动框体通过四根驱动悬臂梁连接在连接块上，所述检测悬臂梁的数量也为四根。

7.根据权利要求6所述的一种基于纳米光栅检测的高Q值微机械陀螺结构，其特征在于，所述连接块、驱动悬臂梁和可动框体布置有电磁驱动导线。