CN107449409A - 纳米光栅自解耦微陀螺装置 - Google Patents
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Abstract
一种纳米光栅自解耦微陀螺装置，主要结构包括下基板、键合框体、上基板、驱动磁体、检测磁体、定光栅、驱动质量块、检测质量块、弹性梁、动光栅组成，下基板对称设置矩形驱动磁体、检测磁体、2个定光栅，键合框体固定连接上基板和下基板，上基板设置驱动机构、检测机构、驱动质量块、检测质量块，检测质量块中心设置可动光栅，此装置结构新颖可起到自解耦效果，利用纳米光栅矢量光学效应检测微弱柯式力，具有灵敏度高、精度高、噪声小、不受温度影响，检测数据准确、可靠性好。
Description
技术领域
本发明涉及一种纳米光栅自解耦微陀螺装置，属航空飞行器的测量仪器仪表零部件的相关领域。
背景技术
陀螺仪是一种能够敏感载体角度或角速度的惯性器件，在姿态控制和导航定位等领域有着非常重要的作用。
目前，对于硅徽陀螺仪而言，耦合误差是影响其性能的重要因素。在理想情况下，当没有角速度输入时，单纯的驱动运动不会耦合到检测方向，相似地，单纯的检测运动也不会耦合到驱动方向。但是由于加工误差的必然存在，在没有考虑解耦设计的情况下，驱动运动和检测运动之间会相互影响，即使在没有角速度输入的情况下，检测方向也会存在位移，这就是耦合误差产生的主要原因。本发明设计的解耦结构是一种减少驱动和检测模态之间相互影响的有效方式。解耦的原理就是通过合理地布局驱动机构、检侧机构，限制检测机构只沿检测方向运动，从而有效地减少耦合误差。
纳米光栅是指光栅周期接近或小于光波长的光栅结构，纳米光栅检测基于矢量衍射理论，其光学原理为：光在均匀介质(如空气)中传播时，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，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剧烈变化，通过此原理可获得飞米级的微位移检测分辨力，较现行电容检测精度至少高一个数量级，可以看出纳米光栅检测优势突出。
现有技术中，一种基于纳米光栅检测的新型陀螺仪(申请号：CN201320697940.1)，本发明与之比较采用电磁驱动方式，可以获得更大的位移空间，进而使相同驱动频率下等值角速率输入时获得的科氏力更大；另外本发明设计的驱动机构和检测机构通过巧妙的结构设计，达到动光栅仅在检测模态运动，与对比专利中驱动模态沿栅线方向运动，检测模态沿垂直于栅线方向运动，在结构上完全不同，可有效避免由光栅侧壁不平整使驱动模态下有噪声信号输出，可以看出本发明的实用性和前景更加宽广。
发明内容
发明目的
本发明的目的就是针对背景技术的不足，设计一种采用纳米光栅检测的自解耦微机械陀螺装置，以大幅度降低微陀螺仪的耦合误差，提高检测精度，使检测数据更加准确、翔实、可靠。
技术方案
本发明主要结构由：下基板、定光栅、驱动磁体、检测磁体、键合框体、上基板、驱动机构、检测机构、驱动质量块、检测质量块、动光栅组成；下基板3通过键合框体2与上基板1粘结牢固。
所述上基板1为矩形，中心设置驱动质量块20，在驱动质量块20四个角设有第一驱动机构14、第二驱动机构15、第三驱动机构16、及第四驱动机构17，左右设置第一检测质量块18、及第二检测质量块19，检测质量块前后设有第一检测机构10、第二检测机构11、第三检测机构12、及第四检测机构13，第一检测质量块18、及第二检测质量块19中心位置分别设有第一动光栅4、及第二动光栅5,动光栅通过干法刻蚀技术生成。
所述与X轴平行的4组检测机构在X方向的刚度很大，限制了动光栅在X方向的位移，此结构可降低由刚度耦合带来的耦合误差，且仅在有角速度输入情况下，检测质量块18、19在Y方向振动，可避免由光栅加工侧壁不平整带来的输出失真。
所述键合框体2，用于连接固定上下基板，并为定光栅6、7和第一动光栅4、第二动光栅5提供光栅间隙c。
所述下基板3为矩形，左右对称设置驱动磁体9、检测磁体8、并粘结牢固，定光栅6、7,定光栅通过干法刻蚀技术生成。
所述驱动磁体9为驱动质量块20提供磁场，当驱动质量块20上与驱动磁体位置对应的导线通入交流电时，由安培力使驱动质量块在驱动方向上产生谐振。
所述检测磁体8为后部处理电路提供与驱动模态相关的电信号，当驱动质量块20沿驱动方向谐振时，驱动质量块20上与检测磁体位置对应的导线切割磁感线，产生感应电流，由于驱动频率已知，不同的谐振位移量所产生的感应电流大小不同，由感应电流的大小控制驱动电压的大小可实现稳幅驱动的效果。
所述第一驱动机构14、第二驱动机构15、第三驱动机构16、及第四驱动机构17与第一检测机构10、第二检测机构11、第三检测机构12、及第四检测机构13同为回折梁结构，主要结构由：联接块24、25，弹性梁22、23组成。
有益效果
本发明与背景技术相比具有明显的先进性，此检测装置是采用整体结构设计，检测Z轴方向角速率的驱动机构、敏感机构集成制作于同一支撑框架内，结构设计合理，适合器件的微型化；采用纳米光栅检测方式，检测质量块设置有动光栅，正对于下基板内设置的定光栅，分辨力高，不受温度影响，本发明的驱动模态与检测模态耦合误差小，受光栅侧壁表面平整度影响小，结构简单、可靠性好、容易单片集成，适用于高精度角速率测量。
附图说明
图1为整体结构局部剖视图
图2为整体结构示意图
图3为整体结构主视图
图4为上基板结构示意图
图5为上基板俯视图
图6为键合框体结构示意图
图7为下基板俯视图
图8为下基板左视图
图9为下基板主视图
图10为双层纳米光栅结构示意图
图11为双层纳米光栅剖视图
图12为回折梁结构示意图
图13为回折梁俯视图
图中所示，附图标记清单如下：
1、上基板，2、键合框体，3、下基板，4、第一动光栅，5、第二动光栅，6、第一固定纳米光栅、7、第二固定纳米光栅，8、检测磁体，9、驱动磁体，10、第一检测机构，11、第二检测机构，12、第三检测机构，13、第四检测机构，14、第一驱动机构，15、第二驱动机构，16、第三驱动机构，17、第四驱动机构，18、第一检测质量块，19、第二检测质量块，20、驱动质量块，21、动光栅栅线，22、定光栅栅线，23、第一弹性梁，24、第二弹性梁，25、联接梁，26、联接块，a、动光栅栅线狭缝，b、定光栅栅线狭缝，c、双层光栅间隙。
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。
以下结合附图对本发明做进一步说明：
图1、2所示，所述纳米光栅自解耦微陀螺装置包括下基板3、定光栅6、驱动磁体9、检测磁体8、键合框体2、上基板1、检测机构10、驱动机构14、驱动质量块20、检测质量块18、动光栅4组成；所述上基板1为矩形，中心设置驱动质量块20，在驱动质量块20前后设有第一驱动机构14、第二驱动机构15、第三驱动机构16及第四驱动机构17，在驱动质量块20左右设置第一检测质量块18、及第二检测质量块19，检测质量块前后设有第一检测机构10、第二检测机构11、第三检测机构12及第四检测机构13，第一检测质量块18、及第二检测质量块19中心位置分别设有第一动光栅4、及第二动光栅5。所述下基板3通过键合框体2与上基板1粘结牢固。
图4、5所示，为本发明上基板1示意图，所述纳米光栅自解耦微陀螺装置为方形结构，所述键合框体2为中空的方形框架结构，所述上基板1左右对称设置第一检测质量块18、及第二检测质量块19，中央设置驱动质量块20，检测质量块18前后对称设置第一检测机构10、第二检测机构11，中央设置动光栅4，检测质量块19前后对称分布第三检测机构12、及第四检测机构13，中央设置动光栅5，驱动质量块20前后左右对称布置第一驱动机构14、第二驱动机构15、第三驱动机构16、及第四驱动机构17，从而灵敏检测所述纳米光栅自解耦微陀螺装置科氏力力位移。
图7、8、9所示，为本发明下基板3示意图，下基板3左右对称设置第一固定纳米光栅6、及第二固定纳米光栅7，中心位置对称设置驱动磁体8、检测磁体9，具体为，所述驱动磁体8、检测磁体9分别对应设置在所述下基板3的中间位置，在所述驱动磁体8、检测磁体9与所述下基板3的中心线相互等距，所述驱动磁体8、检测磁体9与所述下基板3的中心向相互平行；
在所述驱动磁体8与所述下基板3边侧之间设置所述第一纳米光栅6，在所述检测磁体9与所述下基板3边侧之间设置所述第二纳米光栅7，所述第一固定纳米光栅6、及第二固定纳米光栅7分置于所述下基板的两侧，并且两者相互对称设置。
进一步地，所述驱动磁体8、检测磁体9均高出所述下基板的表面，并且两者的高度一致。
图10、11所示，为本发明纳米光栅示意图，所述动光栅与定光栅通过干法刻蚀技术生成，所述动光栅栅线21为等距离均匀排列的栅状结构，所述动光栅栅线21沿水平分布，栅线宽度小于激光光源波长，动光栅栅线狭缝a宽度小于激光光源波长，所述定光栅栅线22沿水平分布，栅线宽度小于激光光源，定光栅栅线22狭缝b宽度小于激光光源波长，动光栅与定光栅的光栅间隙为c。
图12、13所示，本发明驱动机构与检测机构结构相同，同为回折梁结构，所述回折梁结构为细条状梁状结构，进一步地，联接梁25与联接块26中心连接固定，联接块26左右部与第一弹性梁23、第二弹性梁24连接固定。所述第一弹性梁23、第二弹性梁24连接，其尺寸大小可根据应用环境和刚度系数确定。
任意所述检测质量块18、19均通过两个所述驱动机构(10、11或12、13)连接在所述上基板1上；
四个所述检测结构10、11、12、13的布置方向均平行，其中两个检测质量块位置18、19相对的两个检测机构(10、12或11、13)处在同一直线上，并所述检测机构10、11、12、13的布置方向为第一方向；所述检测机构10、11、12、13的布置方向为弹性梁23、24及连接梁25的布置方向。
所述驱动质量块20置于两个所述检测质量块18、19第一方向上之间；
四个所述驱动机构14、15、16、17的布置方向相互平行，并所述驱动机构14、15、16、17的布置方向为第二方向，所述第二方向与所述第一方向相互垂直，处在同一边侧上的两个驱动机构14、15、16、17的布置方向处在同一直线上。
所述动光栅4及5包括多个动光栅栅线21，其中所述动光栅栅线21的布置方向与所述第一方向平行，多个所述动光栅栅线21的中心点均处于同一直线上，并该直线与所述第二方向平行。
所述检测磁体8与所述驱动磁体9分别与处在同一直线上的两组驱动机构(14、15或16、17)位置相互对应
通过本发明所提供的结构，能够实现纳米光栅应用于自解耦微陀螺中，实现极度紧凑结构的前提下，仍然不影响检测的精度。
发明原理是：
电磁力驱动下驱动质量块在X方向谐振。而与X轴平行的4组检测机构在X方向的刚度很大，限制了动光栅在X方向的位移，驱动质量块具有X-Y两个方向的自由度。当有Z方向的角速度输入时，由于科氏力的作用，检测质量块将带动动光栅在Y方向振动，通过左右两组动光栅在Y方向振动位移，使动光栅相对与定光栅间相对位置发生变化。用激光光源照射纳米光栅，相对位置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，即投射到光电探测器的光强发生变化，相对位置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科氏力信号转化为一个较大的光学信号，通过光电探测器即可将光学信号转换为电学信号，通过接口电路拾取信号，经过解调、放大、滤波、调零输出即可获得角速度的信息。
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 (9)
1.纳米光栅自解耦微陀螺装置，其特征在于，所述微陀螺装置包括：
上基板，所述上基板上左右对称布置有检测质量块，所述检测质量块中心布置动光栅；
两个所述检测质量块之间位置处设置有驱动质量块；
下基板，所述下基板上侧面通过键合框体与所述上基板粘结牢固，所述下基板上对应动光栅的位置处布置有定光栅。
2.根据权利要求1所述的纳米光栅自解耦微陀螺装置，其特征在于，任意所述检测质量块非面向另一检测质量块的相对两端通过驱动机构连接在所述上基板上。
3.根据权利要求2所述的纳米光栅自解耦微陀螺装置，其特征在于，所述驱动质量块的四个角落处通过驱动机构连接在所述上基板上。
4.根据权利要求3所述的纳米光栅自解耦微陀螺装置，其特征在于，任意所述检测质量块均通过两个所述检测机构连接在所述上基板上；
四个所述检测结构的布置方向均平行，其中两个检测质量块位置相对的两个检测机构处在同一直线上，并所述检测机构的布置方向为第一方向。
5.根据权利要求4所述的纳米光栅自解耦微陀螺装置，其特征在于，所述驱动质量块置于两个所述驱动质量块第一方向上之间；
四个所述驱动机构的布置方向相互平行，并所述驱动机构的布置方向为第二方向，所述第二方向与所述第一方向相互垂直，处在同一边侧上的两个驱动机构的布置方向处在同一直线上。
6.根据权利要求5所述的纳米光栅自解耦微陀螺装置，其特征在于，所述动光栅包括多个动光栅栅线，其中所述动光栅栅线的布置方向与所述第一方向平行，多个所述动光栅栅线的中心点均处于同一直线上，并该直线与所述第二方向平行。
7.根据权利要求6所述的纳米光栅自解耦微陀螺装置，其特征在于，所述两个定光栅之间设置有检测磁体和驱动磁体；
所述检测磁体与所述驱动磁体分别与处在同一直线上的两组驱动机构位置相互对应。
8.根据权利要求3所述的纳米光栅自解耦微陀螺装置，其特征在于，所述驱动机构与检测机构结构相同，同为回折梁结构，联接梁与联接块中心连接固定，联接块左右部与弹性梁连接固定。
9.根据权利要求1所述的纳米光栅自解耦微陀螺装置，其特征在于，所述动光栅具有动光栅栅线，栅线宽度小于激光光源波长，动光栅栅线狭缝宽度小于激光光源波长；
所述定光栅具有定光栅栅线，栅线宽度小于激光光源，定光栅栅线狭缝宽度小于激光光源波长。
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