CN107449423A - 纳米光栅离心式三轴mems惯组装置 - Google Patents

Abstract

纳米光栅离心式三轴MEMS惯组装置，主要结构包括上基板、动光栅层、定光栅层、下基板、光电探测器、检测梁、联接块、质量块、动光栅、凸台、激光光源、导线组成，上基板内设置光电探测器、导线，动光栅层设置支撑框架、中央设有动光栅的质量块、检测梁、联接块，定光栅层设置定光栅，下基板内设置激光光源、导线，此装置无需驱动，该惯组装置具有量程大、结构简单、正交耦合误差小、横向误差小的优点。

Description

纳米光栅离心式三轴MEMS惯组装置

技术领域

本发明涉及纳米光栅离心式三轴MEMS惯组装置，属微惯性导航技术相关领域。

背景技术

惯性测量组件常用的方式为捷联式和平台式，捷联式灵敏度提高依赖于各分立器件的灵敏度提高，装配及设计误差无法满足三个轴向上微陀螺及微加速度计正交装配，使得调理电路复杂程度高，调试困难，平台式由于体积大不利于小型化集成化。

目前微机械惯组装置中微机械陀螺主流驱动方式是通过电容极板带动质量块谐振，由于加工存在误差，使得陀螺无法达到最初设计时的对称性，结构误差产生的机械耦合会使输出产生较大噪声，而补偿由加工带来的误差一般为表头放置检测模块，次级电路输出相应补偿，这样给次级处理电路设计带来巨大难题，成本较高。谐振式微机械陀螺受到外部振动或冲击时会使陀螺的输出失真，目前并未出现有效的片内解决方案，本设计微陀螺结构采用离心力驱动质量块产生运动，利用纳米光栅检测质量块运动产生的微位移，采用差分输出方式，有效减小了正交耦合误差，降低了由加工误差产生的一系列噪声及由外部振动或冲击造成的输出失真。

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，在位移测量及对位移敏感的加速度传感器中得到了原理验证，本专利提出的采用纳米光栅检测的微惯性测量组件，拟通过原理创新的途径来解决微惯性组件中加速度及微弱离心力检测，预期精度比电容检测方式式相比提高一到两个数量级。

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，设计采用纳米光栅检测的离心式惯组装置，以大幅度降低正交耦合误差、横向误差，降低由外部振动或冲击产生的输出失真、提高检测分辨力，使检测数据更加准确、可靠。

技术方案

本发明主要结构由：上基板、动光栅层、定光栅层、下基板、光电探测器、惯组敏感机构、激光光源组成；上基板1通过上基板凸台5与动光栅层2粘结牢固，动光栅层2通过动光栅凸台6与定光栅层3上表面粘结牢固，定光栅层3下表面与下基板4通过下基板凸台7粘结牢固。

所述上基板1为方形，前后左右及中心设置光电探测器101、102、103，并粘结牢固，光电探测器101、102、103正极由导线101a、102a、103a引出，光电探测器101、102、103负极由导线101b、102b、103b。

所述动光栅层2为方形，包括敏感机构201、202、Z加速度计203、支撑框架21，敏感机构与支撑框体支撑框体连接牢固，敏感机构201、202包含折叠梁205、206、质量块204、中央设有动光栅200的质量块204，Z轴加速度计敏感机构203设置弹性梁2031、2032、中央设有动光栅2034的质量块2033。

所述定光栅层3为方形，包括定光栅301、302、303，共计5个，定光栅301、302与动光栅200对应设置，定光栅303与动光栅2034对应设置。

所述动光栅与定光栅通过干法刻蚀技术生成。

所述下基板4为方形，材料为硅，在下基板4的上表面前后左右及中心对称设置激光光源1、402、403，并粘结牢固，激光光源1、402、403正极由导线401a、402a、403a引出，激光光源1、402、403负极由导线401b、402b、403b引出。

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X、Y、Z轴角速率与加速度的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，动光栅层内质量块设置有动光栅，动光栅正对于定光栅层内设置的定光栅，分辨力高，不受温度影响，本发明的惯组装置无需驱动，正交耦合误差小，横向误差小，受外界振动或冲击影响小，结构简单、可靠性好、容易单片集成，适用于高速旋转物体的姿态测量。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图

图2为本发明整体主视图

图3为本发明上基板仰视图

图4为本发明上基板结构示意图

图5为本发明动光栅层俯视图

图6为本发明动光栅层结构示意图

图7为本发明定光栅层俯视图

图8为本发明定光栅层结构示意图

图9为本发明下基板俯视图

图10为本发明下基板结构示意图

图11为本发明敏感机构俯视图

图12为本发明敏感机构结构示意图

图13为本发明折叠梁俯视图

图14为本发明折叠梁结构示意图

图15为本发明Z轴加速度计敏感机构俯视图

图16为本发明Z轴加速度计敏感机构结构示意图图17为本发明纳米光栅结构示意图

图18为本发明纳米光栅剖视图

图中所示，附图标记清单如下：

1、上基板，2、动光栅层，3、定光栅层，4、下基板，5、上基板凸台，6、动光栅层凸台，7、下基板凸台，21、动光栅支撑框体，101、第一激光探测器，101a、第一激光探测器正极导线，101b、第一激光探测器负极导线，102、第二激光探测器，102a、第二激光探测器正极导线，102b、第二激光探测器负极导线，103、第三激光探测器，103a、第三激光探测器正极导线，103b、第三激光探测器负极导线，200、动光栅，201、第一敏感机构，202、第二敏感机构，203、Z轴加速度计敏感机构，204、质量块，205、第一折叠梁，206、第二折叠梁，2031、第一弹性梁，2032、第二弹性梁，2033、质量块，2034、动光栅，2051、弹性梁，2052、联接块，301、第一定光栅，302、第二定光栅，303、第三定光栅，401、第一激光光源，401a、第一激光光源正极导线，401b、第一激光光源负极导线，402、第二激光光源，402a、第二激光光源正极导线，402b、第二光光源负极导线，403、第三激光光源，403a、第三激光光源正极导线，403b、第三激光光源负极导线，61、动光栅栅线，62、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。

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组合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。另外，本发明实施例的描述过程中，所有图中的“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等器件位置关系，均以图1为标准。

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：

如图1所示，为本发明所提供的纳米光栅离心式三轴MEMS惯组装置，所述三轴MEMS惯组装置包括一个上基板1、一个动光栅层2、一个定光栅层3、及一个下基板4，所述上基板1、动光栅层2、定光栅层3、及下基板4自上至下依次叠层设置；

所述三轴MEMS惯组装置整体呈正方体型，但不限于正方体型；

如图2所示，具体为所述上基板1整体为长方形板状结构，或正方形板状结构，本发明采用为正方形板状结构，所述上基板1的四个角落处面向动光栅层2的一侧上分别延伸出上基板凸台5，所述上基板凸台5的数量为四个，所述上基板凸台5将所述上基板11支撑在所述动光栅层2上侧面；

所述动光栅层2与所述上基板1的整体形状一致，所述动光栅层2的四个角落处具有向下延伸的动光栅支撑框体21，所述动光栅支撑框体21与所述上基板凸台5的位置相互对应；

如图3、4所示，分别为上基板1的立体示意图及正视图，所述下基板4及定光栅层3与所述上基板1的整体形状一致，在所述下基板的四个角落处面向定光栅层3的一侧上分别延伸出下基板凸台7，所述下基板凸台7与所述动光栅支撑框体21位置相互对应，并所述下基板凸台7的数量为4个，所述定光栅层3的四个角落同时被相互对应的动光栅支撑框体21及下基板凸台7呈夹持状，并固定；

在上述的连接点或固定点处均采用表面粘结固定；

所述上基板1面向动光栅2的一侧设置有多个激光探测器；

在所述下基板4面向定光栅3的一侧设置有多个激光光源；

所述激光探测器与所述激光光源的数量均为5个，分别对应设置在所述三轴MEMS惯组装置的四周边处、及正中间位置处，所述激光光源发射出的激光依次通过定光栅层3、动光栅层2，并由所述激光探测器接收。

所述上基板1的激光探测器包括两个过中心轴向方向上的第一激光探测器101，两个所述第一激光探测器101在竖直方向相互对应设置，并分别设置在上基板1边侧的中心位置上；

所述激光探测器还包括第二激光探测器102，两个所述激光探测器2在水平方向上相互对应设置，并两个所述第二激光探测器102的连线与两个所述第一激光探测器101的连线相互垂直；两个所述第二激光探测器102同样分别设置在所述上基板1边侧的中心位置处，然而该边侧与第一激光探测器101的边侧相互交叉相邻；

所述激光探测器还包括第三激光探测器103，所述第三激光探测器103设置在所述三轴MEMS惯组装置的正中间位置；

所述第一激光探测器101分别连接第一激光探测器正极导线101a，及第一激光探测器负极导线101b，所述输入及输出位置可置换；

所述第二激光探测器102分别连接第二激光探测器正极导线102a，及第二激光探测器负极导线102b，所述输入及输出位置可置换；

所述第三激光探测器3分别连接第三激光探测器正极导线103a，及第三激光探测器负极导线103b，所述输入及输出位置可置换；

如图5、6所示，分别为动光栅层2的立体示意图及俯视图，所述动光栅层2的任意一组相对两边上分别设置有第一敏感机构201，及另外一组相对两边上分别设置有第二敏感机构202，所述光栅层2的正中央位置设置所述Z轴加速度计203，所述Z轴加速度计203的四周边通过所述第二弹性梁2032与所述第一弹性梁2031相互连接，固定在所述光栅层2的中间位置。

所述第一敏感机构201及第二敏感机构202的数量均为两个，并所述第一敏感机构201与所述第一激光探测器101的位置上下相对；所述第二敏感机构202与所述第二激光探测器102的位置上下相对。

如图7、8所示，分别为定光栅层3的立体示意图及俯视图，所述定光栅层3的任意一组相对两边上分别设置有第一定光栅301，及另外一组相对两边上分别设置有第二定光栅302；在所述定光栅层3的中心位置设置第三定光栅303；

所述第一定光栅301及第二定光栅302的数量均为两个，并所述第一定光栅301与所述第一敏感机构201的位置上下相对，所述第二定光栅302与所述第二敏感机构202的位置上下相对。

如图9、10所示，分别为下基板4的立体示意图及正视图，所述下基板4的激光光源包括两个过中心轴向方向上的第一激光光源401，两个所述第一激光光源401在竖直方向相互对应设置，并分别设置在下基板4边侧的中心位置上；所述激光光源还包括第二激光光源402，两个所述激光光源在水平方向上相互对应设置，并两个所述第二激光光源402的连线与两个所述第一激光光源401的连线相互垂直；两个所述第二激光光源2同样分别设置在所述下基板4边侧的中心位置处，然而该边侧与第一激光光源1的边侧相互交叉相邻。

所述激光光源还包括第三激光光源403，所述第三激光光源403设置在所述下基板2的中心位置处，也可以理解为在所述第二激光光源402的连线与两个所述第一激光光源401的连线的交叉处；

所述第一激光光源401分别连接光源第一激光光源正极导线401a，及光源第一激光光源负极导线401b，所述输入及输出位置可置换；所述第二激光光源402分别连接光源第二激光光源正极导线402a，及光源第二激光光源负极导线402b，所述输入及输出位置可置换；所述第三激光光源403分别连接光源第三激光光源正极导线403a，及光源第三激光光源负极导线403b，所述输入及输出位置可置换；

相互对应的所述第一激光探测器101、第一敏感机构201、第一定光栅301及第一激光光源401处在同一竖直线上，依次上下对应。

如图11、12所示，为所述动光栅层2上的第一敏感机构201、第二敏感机构202的细节示意图，所述第一敏感机构201、第二敏感机构202均包括动光栅200，所述动光栅200设置在一个质量块204上，并具体设置在所述质量块204的中心位置处上，所述质量块204上下两端分别通过第一折叠梁205及第二折叠梁206连接在所述动光栅层2上；

具体为所述动光栅200与上、下的激光光源、定光栅及光电传感器处在同一竖直线上；

所述三轴MEMS惯组装置为离心式陀螺结构图，第一折叠梁205、第二折叠梁206与质量块204连接牢固，质量块204中心设置动光栅200，动光栅200通过干法刻蚀技术生成。

图13、14所示，为折叠梁结构图，弹性梁2051与联接块2052串联形成折叠梁结构，且可以串联或并联多次以实现不同的刚度要求，并联的特点是所有单梁都有自己的固定端和力的作用端；串联的特点是所有单梁共用一个固定端和一个力的作用端。并联梁的长度相同,总的横向尺寸增大,刚度系数变大；串联的横向尺寸不变,总长度增加,刚度系数变小。

图15、16所示，为Z轴加速度计敏感机构结构图，第一弹性梁2031中央与第二弹性梁2032外侧连接牢固，第二弹性梁2032内侧与质量块2033连接牢固，质量块2033中央设置动光栅2034，动光栅2034通过干法刻蚀技术生成。

图17、18所示，为光栅结构图，动光栅与定光栅通过干法刻蚀技术生成，动光栅与所述的定光栅上下平行排列，即动光栅的每个动光栅栅线61分别位于定光栅栅线62上方，动光栅与定光栅共同构成多个狭缝，光栅间隙c小于第一激光光源401、第二激光光源402、第三激光光源403的光波波长,第一激光光源401、第二激光光源402、第三激光光源403和第一激光探测器101、第二激光探测器102、第三激光探测器103分别位于动光栅和定光栅中心的正下方与正上方。

发明原理是：

陀螺敏感到X轴角速度输入时会带动前后部的两个动光栅向外运动，并由前后部的两个光电器探测器探测到光强变化，输出一对差模信号。陀螺敏感到Y轴角速度输入时会带动左右部的两个动光栅向外运动，并由左右部的两个光电探测器探测到光强变化，输出一对差模信号。陀螺敏感到Z轴角速度输入时，X轴和Y轴上的共四个敏感质量块受离心力作用向外运动并由前后左右部的四个光电探测器探测到光强变化，输出两对差模信号。

陀螺敏感机构敏感到X轴加速度输入时会带动左右部的两个动光栅做同向的面内运动，并由左右部的两个光电探测器探测到的光强变化，输出一对共模信号。陀螺敏感机构敏感到Y轴加速度输入时会带动前后部的两个动光栅做同向的面内运动，并由前后部的两个光电探测器探测到的光强变化，输出一对共模信号。惯组装置Z轴加速度计敏感机构敏感到Z轴加速度输入时会带动中央的动光栅做离面运动，并由位于中央的电探测器探测到的光强变化，输出信号。需要说明，质量块连接框体所形成的梁结构可以回折多次以达到降低检测梁结构的刚度的目的。

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 (6)

1.纳米光栅离心式三轴MEMS惯组装置，其特征在于，所述MEMS惯组装置包括：上基板、动光栅层、定光栅层及下基板，所述上基板、动光栅层、定光栅层及下基板依次叠层布置；

所述MEMS惯组装置还包括纳米检测单元，所述纳米检测单元数量为多个，分别被布置在边侧及中心处；

所述纳米检测单元包括：激光探测器、动光栅、定光栅、及激光光源，所述激光探测器、动光栅、定光栅、及激光光源分别设置在所述上基板、动光栅层、定光栅层及下基板上，同一个纳米光栅检测单元内，所述激光探测器、动光栅、定光栅、及激光光源置于同一竖直线上；

所述动光栅布置在中心质量块及边侧质量块上，所述边侧质量块通过折叠梁结构连接在所述动光栅层上，所述中心质量块通过弹性梁连接在所述动光栅层上。

2.根据权利要求1所述的纳米光栅离心式三轴MEMS惯组装置，其特征在于，所述上基板的四个角落处面向动光栅层的一侧上分别延伸出上基板凸台，所述上基板凸台的数量为四个，所述上基板凸台将所述上基板支撑在所述动光栅层上侧面；

所述上基板的激光探测器包括两个过中心轴向方向上的第一激光探测器，两个所述第一激光探测器在竖直方向相互对应设置，并分别设置在上基板边侧的中心位置上；

所述激光探测器还包括第二激光探测器，两个所述激光探测器在水平方向上相互对应设置，并两个所述第二激光探测器的连线与两个所述第一激光探测器的连线相互垂直；两个所述第二激光探测器同样分别设置在所述上基板边侧的中心位置处；

所述激光探测器还包括一个设置在上基板中心处的第三激光探测器；

所述第一激光探测器分别连接探测器第一输入导线，及探测器第一输出导线，所述输入及输出位置可置换；

所述第二激光探测器分别连接探测器第二输入导线，及探测器第二输出导线，所述输入及输出位置可置换；

所述第三激光探测器分别连接探测器第三输入导线，及探测器第三输出导线，所述输入及输出位置可以置换。

3.根据权利要求2所述的纳米光栅离心式三轴MEMS惯组装置，其特征在于，所述动光栅层与所述上基板的整体形状一致，所述动光栅层的四个角落处具有向下延伸的支撑框架，所述支撑框架与所述上基板凸台的位置相互对应；

所述动光栅层的任意一组相对两边上分别设置有第一敏感机构，及另外一组相对两边上分别设置有第二敏感机构、及设置在动光栅层中心处的Z轴加速度计敏感机构；

所述第一敏感机构及第二敏感机构的数量均为两个，并所述第一敏感机构与所述第一激光探测器的位置上下相对；所述第二敏感机构与所述第二激光探测器的位置上下相对；

所述Z轴加速度计敏感机构与所述第三激光探测器的位置上下相对。

4.根据权利要求3所述的纳米光栅离心式三轴MEMS惯组装置，其特征在于，所述定光栅层的任意一组相对两边上分别设置有第一定光栅，及另外一组相对两边上分别设置有第二定光栅、及设置在定光栅层中心位置处的第三定光栅；

所述第一定光栅及第二定光栅的数量均为两个，并所述第一定光栅与所述第一敏感机构的位置上下相对，所述第二定光栅与所述第二敏感机构的位置上下相对；

所述第三定光栅与所述Z轴加速度计敏感机构的位置上下相对。

5.根据权利要求4所述的纳米光栅离心式三轴MEMS惯组装置，其特征在于，所述下基板及定光栅层与所述上基板的整体形状一致，在所述下基板的四个角落处面向定光栅层的一侧上分别延伸出下基板凸台，所述下基板凸台与所述支撑框架位置相互对应，并所述下基板凸台的数量为4个，所述定光栅层的四个角落同时被相互对应的支撑框架及下基板凸台呈夹持状，并固定；

所述下基板的激光光源包括两个过中心轴向方向上的第一激光光源，两个所述第一激光光源在竖直方向相互对应设置，并分别设置在下基板边侧的中心位置上；

所述激光光源还包括第二激光光源，两个所述激光光源在水平方向上相互对应设置，并两个所述第二激光光源的连线与两个所述第一激光光源的连线相互垂直；两个所述第二激光光源同样分别设置在所述下基板边侧的中心位置处，然而该边侧与第一激光光源的边侧相互交叉相邻；

所述激光光源还包括设置在所述下基板中心处的第三激光光源；

所述第一激光光源分别连接光源第一输入导线，及光源第一输出导线，所述输入及输出可置换；

所述第二激光光源分别连接光源第二输入导线，及光源第二输出导线，所述输入及输出可置换；

所述第三激光光源分别连接光源第三输入导线，及光源第三输出导线，所述输入及输出可置换。

6.根据权利要求1所述的纳米光栅离心式三轴MEMS惯组装置，其特征在于，所述折叠梁结构包括多个检测梁、联接块，所述检测梁与所述联接块串联形成折叠梁结构；

所述折叠梁结构形成至少一个回折结构。