CN107449415A - 纳米光栅微机械陀螺 - Google Patents

Abstract

一种纳米光栅微机械陀螺，主要结构由上基板、键合框体、下基板、支撑框体、外质量块、内质量块、驱动机构、检测机构、动光栅、驱动磁体、检测磁体、定光栅组成,上基板设置支撑框体、内质量块、外质量块、驱动机构、检测机构、内质量块中央设有可动光栅，键合框体体固定连接下基板和上基板，下基板上对称设置驱动磁体、检测磁体、定光栅，下基板中央设有固定光栅，此装置整体结构对称，利用光学效应检测微弱柯式力，检测精度高，结构合理、紧凑，且具有灵敏度高、可靠性好的优势，其检测精度比现有技术提高一到两个数量级。

Description

纳米光栅微机械陀螺

技术领域

本发明涉及一种纳米光栅微机械陀螺，属微惯性导航技术领域。

背景技术

微机械陀螺是二十世纪八十年代初发展起来的军民两用高新技术，与传统的陀螺相比，它具有体积小、功耗低、成本低、易批量化生产、灵敏度高、抗过载能力强、动态范围大和可集成性好等优点，可嵌入电子、信息与智能控制系统中，使得系统体积和成本大幅下降，总体性能大幅提升，符合产品信息化发展方向，因此在民用消费领域和现代国防领域具有广泛的应用前景，越来越受到人们的关注。

目前，微机械陀螺的检测方式主要有电容、压电等检测方式，电容检测式微陀螺具有低温度系数、低功耗、低噪声、灵敏度高、结构简单、易于与CMOS电路单片集成等优点。然而，传感器内部的寄生电容会对电容检测式微陀螺的性能带来一定的影响，为了减小寄生电容的影响，因此对接口电路的检测精度和抗干扰能力提出了较高的要求。压电检测式MEMS陀螺具有体积小、直接输出电压信号、易于与IC兼容等特点，但压电检测式MEMS陀螺的输出电压信号小，且压电材料的生长工艺复杂，不能进行高温操作。

纳米光栅对微位移进行检测具有高分辨率、低噪声的优点，其分辨率可达飞米级，噪声水平可接近热噪声极限，光通过双层纳米光栅时，当动光栅和定光栅发生水平或垂直相对位移，其光栅相对位置发生微小变化，进而导致衍射光强发生剧烈变化，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。

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，设计一种微机械陀螺的高灵敏的、用纳米光栅进行检测的装置，以大幅提高微机械陀螺仪的灵敏度和分辨率，使检测数据更准确。

技术方案

本发明主要结构由：上基板、键合框体、下基板、支撑框体、外质量块、内质量块、驱动机构、检测机构、动光栅、驱动磁体、检测磁体、定光栅组成；上基板1通过键合框体2与下基板3粘结牢固。

所述上基板1为方形，上基板1设有外质量块4、内质量块5、支撑框架15，外质量块4通过第一检测机构10、第二检测机构11、第三检测机构12、第四检测机构13与内质量块5连接，内质量块中央设有动光栅14，外质量块4通过第一驱动机构6、第二驱动机构7、第三驱动机构8、及第四驱动机构9与支撑框架15连接。

所述下基板3为方形，在下基板3左右对称设置驱动磁体16、检测磁体17，中央设有定光栅18。

所述驱动磁体16为质量块提供磁场，当外质量块4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17为后部处理电路提供与驱动模态相关的电信号，当外质量块4沿驱动方向谐振时，外动质量块4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6、第二驱动机构7、第三驱动机构8、及第四驱动机构9与第一检测机构10、第二检测机构11、第三检测机构12、第四检测机构13结构一样，同为回折梁结构，在联接块21的后部与联接块中部22位置连接，联接块22左部与弹性梁19连接右部与弹性梁20连接。

所述弹性梁与连接块构成的间隙为驱动方向的位移量，由于采用电磁驱动方式可较传统电容驱动方式设计较大的位移量，在感应相同角速率输入时可获得更大的柯式力。

所述动光栅14与定光栅18位置对应，通过干法刻蚀技术生成，动光栅14由多个动光栅栅线23与动光栅栅线狭缝a组成，定光栅18有多个定光栅栅线24与定光栅栅线狭缝b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，结构设计合理，适合器件的微型化；采用电磁驱动方式，具有驱动方向位移大，柯式效应明显的优势。采用纳米光栅检测方式，内质量块设置动光栅，正对于下基板设置的定光栅，可比现行电容检测精度至少高一个数量级，检测数据可靠性好、灵敏度高，是十分理想的角速率检测装置。

附图说明

图1为整体结构图

图2为整体结构主视图

图3为上基板结构示意图

图4为上基板俯视图

图5为键合框体结构示意图

图6为下基板俯视图

图7为下基板主视图

图8为下基板左视图

图9为回折梁俯视图

图10为回折梁结构示意图

图11为双层光栅结构示意图

图12为双层光栅剖视图

图13为双层光栅俯视图

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、外质量块，5、内质量块，6、第一驱动机构，7、第二驱动机构，8、第三驱动机构，9、第四驱动机构，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、动光栅，15、支撑框体，16、驱动磁体，17、检测磁体，18、定光栅，19、第一弹性梁，20、第二弹性梁，21、联接块后部，22、联接块中部，23、动光栅栅线，24、定光栅栅线，a、动光栅栅线狭缝，b、定光栅栅线狭缝，c、光栅间隙，d、动光栅长度，e、定光栅长度。

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，为本发明所述纳米光栅微机械陀螺的整体结构图，所述纳米光栅微机械陀螺包括上基板1、键合框体2、下基板3、支撑框体15、外质量块4、内质量块5、第一驱动机构6、第二驱动机构7、第三驱动机构8、及第四驱动机构9、第一检测机构10、第二检测机构11、第三检测机构12、第四检测机构13、动光栅14、驱动磁体、检测磁体17、定光栅18组成；上基板1通过键合框体2与下基板3粘结牢固。

具体为，所述上基板1、键合框架2、及下基板3依次堆叠设置，并所述上基板1、键合框架2、及下基板3都为方形框架结构，进一步地，如图3、4所示，为上基板结构示意图，以支撑框体15为载体，以中轴线对称设置第一驱动机构6、第二驱动机构7、第三驱动机构8、及第四驱动机构9与外质量块4连接固定，外质量块4与内质量块5通过第一检测机构10、第二检测机构11、第三检测机构12、第四检测机构13连接固定，内质量块中心设有动光栅14，动光栅通过干法刻蚀技术生成。

图6、7、8所示，为本发明下基板3示意图，下基板3左右对称设置固定驱动磁体16、检测磁体17，中心位置设置定光栅18，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的两侧位置，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；

所述驱动磁体16为质量块提供磁场，当外质量块4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17为后部处理电路提供与驱动模态相关的电信号，当外质量块4沿驱动方向谐振时，外动质量块4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。

在所述驱动磁体8、检测磁体9之间设置所述定光栅18，所述定光栅18位于所述下基板3的正中间位置，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。所述定光栅18并与动光栅14位置对应，定光栅通过干法刻蚀技术生成。

图9、10所示，所述驱动机构、及检测机构的结构示意图，所述第一驱动机构6、第二驱动机构7、第三驱动机构8、及第四驱动机构9为相同的结构，在此仅以第一驱动机构6进行描述，所述第一检测机构10、第二检测机构11、第三检测机构12、第四检测机构13为相同的检测机构，在此仅以第一检测机构10进行描述；

所述第一驱动机构6、及第一检测机构10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，所述第一驱动机构6、及第一检测机构10都包括联接块后部21、联接块中部22，所述联接块后部21与联接块中部22固定连接，联接块中部22的左右部与第一弹性梁19、第二弹性梁20连接，其尺寸大小可根据应用环境和刚度系数确定。

所述弹性梁19、20与连接块构成的间隙为驱动方向的位移量，由于采用电磁驱动方式可较传统电容驱动方式设计较大的位移量，在感应相同角速率输入时可获得更大的柯式力。

所述驱动机构6、7、8、9布置在所述外质量块5的四个角落处，四个所述驱动机构的6、7、8、9布置方向相互平行，平行方向为第一方向，并在第一方向上的同一边侧上的驱动机构(6、9或7、8)布置在同一直线上；

所述驱动机构6、7、8、9的布置方向为所述驱动机构连接块及弹性梁19、20的布置方向，其中驱动机构连接块的布置方向在本发明中理解为连接块后部21的布置方向；

所述检测机构10、11、12、13均布置在第二方向上，并相互之间平行布置，所述第二方向与所述第一方向垂直，并在第二方向上同一边侧的检测机构(10、11或12、13)布置在同一直线上；

所述检测机构10、11、12、13的布置方向为检测机构连接块19、20及弹性梁的布置方向；其中检测机构连接块的布置方向在本发明中理解为连接块后部21的布置方向；

在所述第二方向上同一边侧的两个驱动机构(6、7或8、9)之间提供一个布置区域，所述在第二方向上同一边侧的两个检测机构(10、11或12、13)置于布置区域之内。

所述动光栅14设置在所述内质量块5的中心处；

所述动光栅14包括多个动光栅栅线23，任意一个动光栅栅线23布置方向与第二方向平行，多个所述动光栅栅线23中心点均处于平行第一方向的直线上。

应用本发明提供的上述结构布置，能够实现将纳米光栅应用于微机械陀螺中，实现极度紧凑结构的前提下，仍然不影响检测的精度。

图11、12、13所示、为双层纳米光栅结构示意图，所述动光栅与定光栅通过干法刻蚀技术生成，所述动光栅14由若干个动光栅栅线23与动光栅栅线狭缝a组成，定光栅18由多个定光栅栅线24与定光栅栅线狭缝b组成，动光栅长度d小于定光栅长度e；

具体为，相邻的所述动光栅栅线23为相互平行的栅状体，所述栅状体为长条形的方形结构，并且所述动光栅栅线23的长度为d，相邻的所述定光栅栅线24为相互平行的栅状体，所述栅状体为长条形的方形结构，并且所述定光栅栅线24的长度为e，所述动光栅栅线23的长度d小于所述定光栅栅线24的长度e。

发明原理是：

电磁力驱动下驱动内外质量块在X方向谐振。当有Z方向的角速度输入时，由于柯式力的作用，内质量块将带动动光栅在Y方向振动，通过动光栅在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柯式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 (10)

1.纳米光栅微机械陀螺，其特征在于，所述微机械陀螺包括：

上基板，所述上基板中心位置处布置有动光栅；

键合框体；

下基板，所述下基板通过键合框体与所述上基板粘结牢固，所述下基板对应动光栅位置处布置有定光栅。

2.根据权利要求1所述的纳米光栅微机械陀螺，其特征在于，所述上基板包括内质量块、外质量块及支撑框体；

所述内质量块通过检测机构连接在所述外质量块内侧；

所述外质量块外侧通过驱动机构连接在所述支撑框体上；

所述动光栅布置在所述内质量块中心处。

3.根据权利要求2所述的纳米光栅微机械陀螺，其特征在于，所述内质量块任意相对的两侧端部分别通过检测机构连接在所述外质量块内侧；

所述内质量块四个角处通过驱动机构连接在支撑框架上。

4.根据权利要求3所述的纳米光栅微机械陀螺，其特征在于，所述驱动机构及检测机构均为回折梁结构，包括多个连接块及弹性梁。

5.根据权利要求4所述的纳米光栅微机械陀螺，其特征在于，所述驱动机构布置在所述外质量块的四个角落处，四个所述驱动机构的布置方向相互平行，平行方向为第一方向，并在第一方向上的同一边侧上的驱动机构布置在同一直线上；

所述驱动机构的布置方向为所述驱动机构连接块及弹性梁的布置方向。

6.根据权利要求5所述的纳米光栅微机械陀螺，其特征在于，所述检测机构均布置在第二方向上，并相互之间平行布置，所述第二方向与所述第一方向垂直，并在第二方向上同一边侧的检测机构布置在同一直线上；

所述检测机构的布置方向为检测机构连接块及弹性梁的布置方向。

7.根据权利要求6所述的纳米光栅微机械陀螺，其特征在于，在所述第二方向上同一边侧的两个驱动机构之间提供一个布置区域，所述在第二方向上同一边侧的两个检测机构置于布置区域之内。

8.根据权利要求7所述的纳米光栅微机械陀螺，其特征在于，所述动光栅设置在所述内质量块的中心处；

所述动光栅包括多个动光栅栅线，任意一个动光栅栅线布置方向与第二方向平行，多个所述动光栅栅线中心点处于平行第一方向的直线上。

9.根据权利要求8所述的纳米光栅微机械陀螺，其特征在于，所述定光栅左右相相对两侧对称布置有驱动磁体和检测磁体；

所述驱动磁体与在第一方向上的一边侧驱动机构位置相对；

所述检测基体与在第一方向上的另一边侧驱动机构位置相对。

10.根据权利要求1所述的纳米光栅微机械陀螺，其特征在于，所述定光栅、动光栅通过干法刻蚀技术而成。