CN111238475B - 基于重力梯度扭矩测量的隧道式mems星载姿态敏感器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于角度测量的惯性传感器技术领域，特别涉及一种基于重力梯度扭矩测量的隧道式MEMS星载姿态敏感器。该隧道式MEMS星载姿态敏感器由敏感模块、隧道式微小位移检测模块组成；其中，敏感模块由质量块和柔性梁组成；隧道式微小位移检测模块由探针及针尖、隧道电极、步进电机压电陶瓷模块、反馈线组成；并整体置于隔离罩内；步进电机压电陶瓷模块通过反馈线连接到直流电源E，然后隔离罩固定在地面三轴转台上面，地面三轴转台绕转动轴转动，形成重力梯度扭矩测量系统。本发明具有高精度的微小位移检测功能，能提高基于重力梯度扭矩测量的MEMS星载姿态敏感器的测角精度，将现有技术中的测角精度从10度提高至4度。
Description
技术领域
本发明属于角度测量的惯性传感器技术领域，特别涉及一种基于重力梯度扭矩测量的隧道式MEMS星载姿态敏感器。
背景技术
从20世纪70年代至今，国际上重力梯度仪的基本原理有差分加速度计法和基于扭矩测量的方法。由于其具备测量速度快、精度高等优点，目前国际上已经实现应用的星载重力梯度仪多数是基于加速度计的方案。
由于重力梯度测量的重要性，美国海军和空军从20世纪70年代开始，投入几亿美元进行重力梯度仪的研制。1975～1990年间美国Bell Aerospace公司(现并入LockheedMartin公司)研制了旋转加速度计重力梯度仪GGI(gravity gradient instrument)。其基本原理如图4所示，其中四个加速度计对称分布在圆盘上，加速度计的敏感方向沿圆盘的切线方向，加速度计相对于圆盘中心的距离为r，圆盘以Ω的角速度转动，利用调制解调的方法可以测量出重力梯度的全部独立张量。澳大利亚BHP Billiton公司引进这种技术成功研制Falcon航空重力仪，与1999年正式投入使用。
差分式加速度计重力梯度仪，即利用两个加速度计测量不同位置的重力加速度，通过差分运算求解出重力梯度。2009年，欧空局发射的GOCE卫星所搭载的重力梯度仪即是一种基于静电悬浮加速度计的差分式重力梯度仪(如图5所示)。该重力梯度仪包含6个三轴静电悬浮加速度计，加速度计两两一组沿坐标轴分布，通过加速度计之间的差分可以求出重力梯度的全部张量。该重力梯度仪长1320mm，直径850mm，重137kg，测量精度可达3×10- 3E/√Hz(1E＝10-9/s2)。
基于MEMS技术的空间重力梯度领域则属于起步阶段。2009年荷兰屯特大学首次研制出基于MEMS加速度计的重力梯度仪，重力梯度测量精度可达1E/√Hz。这种重力梯度仪采用一个单独的晶圆构成，在这个晶圆上集成了两个MEMS加速度计，每个加速度计有两个梳状电容结构。该MEMS加速度计式重力梯度仪用作重力梯度的测量，还未被用来实现卫星的姿态确定。
2012年瑞士洛桑联邦理工学院基于MEMS技术，通过测量重力梯度扭矩设计惯性传感器，可在微重力条件下的测量纳米级位移，最终输出的姿态角精度达到10°。并于同年装载在学生探空火箭REXUS 11，完成了“地球重力梯度传感器”等多项星载实验。
2016年英国伦敦帝国理工学院研制的跷跷板式力平衡悬挂系统，相比于已有的基于MEMS加工技术的重力梯度仪，该系统能在维持相似尺寸、重量等条件下具有更低的噪声底线，达到10E/√Hz。同时，该梯度仪不仅可以应用于微重力场景，还可应用于地面环境，测量范围可达0～1g，大大改善了MEMS重力梯度仪的局限性。
由此可见，关于重力梯度扭矩测量的隧道式MEMS星载姿态敏感器较少，已有技术中实现的测角精度还处于较低水平。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于重力梯度扭矩测量的隧道式MEMS星载姿态敏感器，该隧道式MEMS星载姿态敏感器由敏感模块、隧道式微小位移检测模块组成；其中，敏感模块由质量块和柔性梁组成；隧道式微小位移检测模块由探针、针尖、隧道电极、步进电机压电陶瓷模块和反馈线组成；
所述隧道式微小位移检测模块中针尖6与敏感模块3的上表面接触，敏感模块3置于隧道电极4上面，隧道电极4连接步进电机压电陶瓷模块5；整体隧道式微小位移检测模块置于隔离罩2内；步进电机压电陶瓷模块5通过反馈线连接到直流电源E的正极，直流电源E的负极与探针1连接；然后隔离罩2固定在地面三轴转台7上面，地面三轴转台7绕在其中央固定的转动轴转动，形成重力梯度扭矩测量系统；其中地面三轴转台是一台地面模拟卫星转动的平台，是型号为SGT-3的三轴惯导测试转台；其特征在于，
所述敏感模块中两个质量块34固定在横梁33两端，形成H型扭摆结构；在同一竖直平面的上柔性梁31和下柔性梁32分别对称、垂直固定在横梁33中央的上下面上。
所述基于重力梯度扭矩测量的隧道式MEMS星载姿态敏感器的重力梯度扭矩测量方法，首先通过直流电源E对步进电机压电陶瓷模块5加工作电压，驱动针尖6向隧道电极4移动，逐渐减小敏感模块3与针尖6间的距离，直至达到稳定的静态隧道电流，隧道电流阈值设为2nA；当横梁转角θ发生改变时，重力梯度扭矩会使得质量块34的纵向轴线修正到垂线方向，即导致上柔性梁31、下柔性梁32弯曲并随着横梁转角θ的增大到一个恢复力矩，该横梁转角θ使得H型扭摆结构的两端产生一段纳米级位移；同时，该位移的改变引起隧道电流的指数级变化；通过测量隧道电流的变化量反计算出位移量的值，再转化为重力梯度扭矩的大小，以求出横梁转角θ角度值。
本发明的有益效果为本发明的星载姿态敏感器是基于量子力学中的隧道电流效应，具有高精度的微小位移检测功能，能提高基于重力梯度扭矩测量的MEMS星载姿态敏感器的测角精度，将现有技术中的测角精度从10度提高至4度；并且，敏感模块由质量块、双柔性梁构成杠铃结构，在相同的倾角下能够产生更大的重力梯度扭矩，以获得更高的传感器测角精度，将现有技术的尺寸从5cm缩短至3cm。
附图说明
图1所示为基于重力梯度扭矩测量的隧穿式MEMS星载姿态敏感器组成示意图；
图2所示是敏感模块组成示意图；
图3a、图3b所示为基于重力梯度扭矩测量的隧穿式MEMS星载姿态敏感器安装示意图；
图4为旋转加速度计重力梯度仪；
图5为GOCE卫星上的静电悬浮加速度计重力梯度仪(2009)。
具体实施方式
本发明提出一种基于重力梯度扭矩测量的隧穿式MEMS星载姿态敏感器，以下结合附图和实施例对本发明予以进一步说明。
图1、图3a、图3b所示为基于重力梯度扭矩测量的隧穿式MEMS星载姿态敏感器组成示意图，图中所示的模块由敏感模块、隧道式微小位移检测模块组成。该隧道式MEMS星载姿态敏感器由敏感模块、隧道式微小位移检测模块组成；其中，敏感模块由质量块和柔性梁组成；隧道式微小位移检测模块由探针、针尖、隧道电极、步进电机压电陶瓷模块和反馈线组成；其中步进电机压电陶瓷模块是步进电机与压电陶瓷驱动器集成为一体的，都由直流电源控制，步进电机驱动位移的幅度大，相当于粗调整；压电陶瓷驱动器驱动位移的幅度小，相当于精调整。
所述隧道式微小位移检测模块中针尖6与敏感模块3的上表面接触，敏感模块3置于隧道电极4上面，隧道电极4连接步进电机压电陶瓷模块5；整体隧道式微小位移检测模块置于隔离罩2内；步进电机压电陶瓷模块5通过反馈线连接到直流电源E的正极，直流电源E的负极与探针1连接；然后隔离罩2固定在地面三轴转台7上面，地面三轴转台7绕在其中央固定的转动轴转动，形成重力梯度扭矩测量系统；其中地面三轴转台地面三轴转台是一台地面模拟卫星转动的平台，是型号为SGT-3的三轴惯导测试转台。
图2所示是敏感模块组成示意图，所述敏感模块中两个质量块34固定在横梁33两端，形成H型扭摆结构；在同一竖直平面的上柔性梁31和下柔性梁32分别对称、垂直固定在横梁33中央的上下面上。
本发明采用双柔性梁的连接方式，首先通过直流电源E对步进电机压电陶瓷模块5加工作电压，驱动针尖6向隧道电极4移动，逐渐减小敏感模块3与针尖6间的距离，直至达到稳定的静态隧道电流，隧道电流阈值设为2nA；当横梁转角θ发生改变时，重力梯度扭矩会使得质量块34的纵向轴线修正到垂线方向，即导致上柔性梁31、下柔性梁32弯曲，并随着横梁转角θ的增大到一个恢复力矩，该横梁转角θ使得H型扭摆结构的两端产生一段纳米级位移；同时，该位移的改变引起隧道电流的指数级变化，如下式所示,
其中，I0是初始隧穿电流，
Φ是硅尖和电极表面间的势垒，s是针尖6与隧道电极4之间的距离。通过测量隧道电流的变化量，反计算出H型扭摆结构的两端的位移z值，再转化为重力梯度扭矩的大小，按下式求出横梁转角θ的角度值，
其中，μ是地球引力常数，Ix、Iy是敏感模块分别在x、y轴的转动惯量，R是轨道高度，k是柔性梁的弹性系数。
上述横梁转角θ使得扭摆结构的两端产生一段纳米级位移。为了在工作、测试的条件下得到位移输出量的最大化，需要满足两个前提条件：
1)柔性梁在产生扭摆的敏感方向刚度尽可能的小，而在其他方向刚度尽可能大；
2)基于MEMS惯性传感器鲁棒性和可靠性考虑，为了使得传感器加工和测试的可行性，需要在质量块的四周加装阻挡件以起到保护作用，那么就必须保证该结构在不碰到任何保护侧壁的前提下能够实现自由摆动。其中.四周加装的阻挡件：这个阻挡件不是隔离罩，是由于敏感结构的柔性梁十分柔软，在搬动的过程中即有可能因碰撞发生损坏，加装阻挡件的目的是保护里面敏感结构的柔性梁不发生断裂。
图3a、图3b所示为地面模拟测试平台搭建示意图，按照图3a、图3b指示将敏感模块、隧道式微小位移检测模块、地面三轴转台7系统搭建完毕；测试步骤如下：
1.将敏感模块与隧穿显微镜测试平台连接完毕，调整隧穿显微镜测试平台到恒流模式，通过操控指针与敏感模块的距离，直至隧穿电流出现，并使之维持在2nA的稳定值；
2.将敏感模块、隧穿显微镜测试平台与三轴转台连接完毕，以2°为间隔改变三轴转台的角度；
3.记录转台在不同角度θ下，z方向上的位移值；
4.重复步骤2～3共计20次，制作并形成一张转台转角角度值θi与z方向上位移值zi一一对应的标定表，其中i表示转台在角度θ的转动位置；j表示转台z方向上的位置；
5.测试时，以2°为间隔改变三轴转台的角度，测试范围为-10°至10°，记录此时达到稳定2nA隧穿电流时对应的z方向上的位移值，计作zj；
6.将z方向位移值带入标定表中，按下式计算得出一个角度值：
7.计算不同角度下测量值xi和真实值μ的差，对误差值进行统计，按照下式计算标准差，记做该敏感器的系统误差δ1；
8.在同一角度下进行20次重复测量并计算标准差，记做该敏感器的随机误差δ2；
9.按照下式求出该敏感器的总误差，
10.统计得出姿态敏感器的精度值。
其中地面三轴转台地面三轴转台是一台地面模拟卫星转动的平台，是型号为SGT-3的三轴惯导测试转台。
参数设计包括：第一考虑使用现有的工艺手段能将器件加工出来，第二该器件需要能够满足测试条件，第三在满足前两者的条件下提高器件的灵敏度；具体包括：
(1)双梁的参数设计
双梁的扭转刚度系数kt和平移刚度系数kg等效比例公式如下所示：
在设计中，希望kg与kt的比值越大越好，因此对于给定的长度l，梁深度d与宽度w的比值越大越好；宽度和深度是一对互相制约的参数，深度不能随便选取，梁的深度即为质量块的深度。如果深度过大，质量块也增厚，由于在地面测试会收到1g的重力的影响，将导致器件两端变形而失效；同时深度过大也会带来MEMS加工难度加大。
(2)质量块的参数设计
质量块设计主要是在MEMS可加工技术的前提下生产出转动惯量尽可能大的质量块。厚度受DRIE工艺条件所限制，假定DRIE深宽比为1:10，若质量块的厚度为130μm；在保证系统鲁棒性的前提下限制质量块的横向移动间隙，即不小于13μm，结合工艺难度和单步工艺试验，最终确定刻蚀槽宽度为25μm。
表1敏感结构设计参数
| 结构 | 参数 |
| 质量块长 | 3cm |
| 质量块宽(中心处) | 1cm |
| 质量块宽(两端处) | 2cm |
| 质量块厚 | 130μm |
| 柔性梁长l | 1000μm |
| 柔性梁宽w | 20μm |
| 柔性梁厚d | 130μm |
| 刻蚀槽宽度 | 25μm |
由于扭摆结构四周设计保护阻挡件，保护阻挡与质量块之间的间隙即刻蚀间隙，在保护器件的同时也限制了器件的横向移动。为了提高鲁棒性防止结构断裂，质量块的厚度及刻蚀间隙也会受到约束，最终得到质量块、双柔性梁的结构参数，如表1所示。
测试系统
图3a、图3b所示为地面模拟测试平台搭建示意图，按照图3a、图3b指示将敏感模块、隧道式微小位移检测模块、地面三轴转台7系统搭建完毕；测试步骤如下：
1.将敏感模块与隧穿显微镜测试平台连接完毕，调整隧穿显微镜测试平台到恒流模式，通过操控指针与敏感模块的距离，直至隧穿电流出现，并使之维持在2nA的稳定值；
2.将敏感模块、隧穿显微镜测试平台与三轴转台连接完毕，以2°为间隔改变三轴转台的角度；
3.记录转台在不同角度θ下，z方向上的位移值；
4.重复步骤2～3共计20次，制作并形成一张转台转角角度值θi与z方向上位移值zi一一对应的标定表，其中i表示转台在角度θ的转动位置；j表示转台z方向上的位置；
5.测试时，以2°为间隔改变三轴转台的角度，测试范围为-10°至10°，记录此时达到稳定2nA隧穿电流时对应的z方向上的位移值，计作zj；
6.将z方向位移值带入标定表中，按下式计算得出一个角度值：
7.计算不同角度下测量值xi和真实值μ的差，对误差值进行统计，按照下式计算标准差，记做该敏感器的系统误差δ1；
8.在同一角度下进行20次重复测量并计算标准差，记做该敏感器的随机误差δ2；
9.按照下式求出该敏感器的总误差，
10.统计得出姿态敏感器的精度值。
其中，地面三轴转台是一台地面模拟卫星转动的平台，是型号为SGT-3的三轴惯导测试转台。
Claims (3)
1.一种基于重力梯度扭矩测量的隧道式MEMS星载姿态敏感器，该隧道式MEMS星载姿态敏感器由敏感模块、隧道式微小位移检测模块组成；其中，敏感模块由质量块和柔性梁组成；隧道式微小位移检测模块由探针、针尖、隧道电极、步进电机压电陶瓷模块和反馈线组成；
所述隧道式微小位移检测模块中针尖(6)与敏感模块(3)的上表面接触，敏感模块(3)置于隧道电极(4)上面，隧道电极(4)连接步进电机压电陶瓷模块(5)；整体隧道式微小位移检测模块置于隔离罩(2)内；其中，步进电机压电陶瓷模块(5)通过反馈线连接到直流电源E的正极，直流电源E的负极与探针(1)连接；然后隔离罩(2)固定在地面三轴转台(7)上面，地面三轴转台(7)绕在其中央固定的转动轴转动，形成重力梯度扭矩测量系统；所述地面三轴转台是一台地面模拟卫星转动的平台，是型号为SGT-3的 三轴惯导测试转台；其特征在于，
所述敏感模块中两个质量块(34)固定在横梁(33)两端，形成H型扭摆结构；在同一竖直平面的上柔性梁(31)和下柔性梁(32)分别对称、垂直固定在横梁(33)中央上下面上。
2.一种利用权利要求1所述基于重力梯度扭矩测量的隧道式MEMS星载姿态敏感器的重力梯度扭矩测量方法，其特征在于，首先通过直流电源E对步进电机压电陶瓷模块(5)加工作电压，驱动针尖(6)向隧道电极(4)移动，逐渐减小敏感模块(3)与针尖(6)间的距离，直至达到稳定的静态隧道电流，该隧道电流的阈值设为2nA；当横梁转角θ发生改变时，重力梯度扭矩会使得质量块(34)的纵向轴线修正到垂线方向，即导致上柔性梁(31)、下柔性梁(32)弯曲，并随着横梁转角θ的增大到一个恢复力矩，该横梁转角θ使得H型扭摆结构两端产生一段纳米级位移；同时，该位移的改变引起隧道电流的指数级变化；通过测量隧道电流的变化量，反计算出位移量的值，再转化为重力梯度扭矩的大小，以求出横梁转角θ的角度值。
3.根据权利要求2所述基于重力梯度扭矩测量的隧道式MEMS星载姿态敏感器的重力梯度扭矩测量方法，其特征在于，所述位移的改变引起隧道电流的指数级变化，如下式所示，
其中，I0是初始隧穿电流；
Φ是硅尖和电极表面间的势垒；s是针尖与隧道电极之间的距离；通过测量隧道电流的变化量，反计算出H型扭摆结构两端产生的位移z的值，再转化为重力梯度扭矩的大小，按下式求出横梁转角θ角度值，
其中，μ是地球引力常数，Ix、Iy是敏感模块分别在x、y轴的转动惯量，R是轨道高度，k是柔性梁的弹性系数。
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2020
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