CN111551165B - 一种基于正交光栅和四象限探测器的三轴陀螺结构 - Google Patents

一种基于正交光栅和四象限探测器的三轴陀螺结构 Download PDF

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Abstract

本发明属于陀螺结构技术领域，具体涉及一种基于正交光栅和四象限探测器的三轴陀螺结构，包括光源模块、扩束准直模块、上层光栅模块、下层陀螺模块、探测器模块，所述光源模块设置在扩束准直模块的上方，所述扩束准直模块的下方设置有上层光栅模块，所述上层光栅模块的下方设置有下层陀螺模块，所述下层陀螺模块的下方设置有探测器模块，所述上层光栅模块包括第一光栅、第二光栅、第三光栅、挖空结构，所述第一光栅与第二光栅并列设置，所述第三光栅与挖空结构并列设置。本发明使用双层光栅结构，增大了角速度测量的灵敏度；并且本发明实现了单片集成微陀螺器件，减小了器件尺寸以及整体封装难度。本发明用于角速度的测量。

Description

一种基于正交光栅和四象限探测器的三轴陀螺结构
技术领域
本发明属于陀螺结构技术领域，具体涉及一种基于正交光栅和四象限探测器的三轴陀螺结构。
背景技术
微机械陀螺仪的成功生产和制造，使MEMS惯性测量单元的研制成为可能。第一个MEMS惯性测量单元由美国的Draper实验室于1994年推出，该MEMS惯性测量单元由三个微机械加速度计和三个微机械陀螺仪构成，每个微惯性器件均配备相应的独立集成电路。每一个加速度计和一个陀螺仪组成一对，三对组合分别安装于立方体的三个正交平面上，构成惯性敏感测量组合。1998年美国桑迪亚国家实验室(SNL)及BSAC将一个敏感x、y平面角速度运动的二维微陀螺、一个敏感垂直轴向z方向角速度的一维微陀螺、三维加速度计及相应的测试回路集成在一块芯片上，芯片边长仅为lcm。从2000年到2002年，Honeywell实验室研制了基于MEMS技术的微型飞行管理单元BGL910，可以为飞行器提供导航、制导与控制。此后，喷气推进实验室、MEMSSENSE、Xsens、BEL公司等众多著名研究机构和一些大学、研究中心也纷纷加入到MEMS惯性测量单元的研究行列，经过多年发展，已经实施了多项重大的系统发展计划，进行了多型号的试验和应用。随着工艺的不断进步，MEMS惯性测量单元的集成度越来越高，体积逐渐减小，精度也越来越高。
分析可知目前主流的角速度单元以电容式为主，电容式测量虽然可以很好的兼容IC电路，但是限于其下拉效应与寄生电容的影响使得电容检测方式无法做到高精度高灵敏度；尤其在单片集成三轴时寄生电容影响因素尤为明显，因此主流三轴陀螺组件以分立集成方式为主。
发明内容
针对上述微机械陀螺仪精度低、灵敏度低的技术问题，本发明提供了一种灵敏度高、精度高、抗干扰能力强的基于正交光栅和四象限探测器的三轴陀螺结构。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种基于正交光栅和四象限探测器的三轴陀螺结构，包括光源模块、扩束准直模块、上层光栅模块、下层陀螺模块、探测器模块，所述光源模块设置在扩束准直模块的上方，所述扩束准直模块的下方设置有上层光栅模块，所述上层光栅模块的下方设置有下层陀螺模块，所述下层陀螺模块的下方设置有探测器模块，所述上层光栅模块包括第一光栅、第二光栅、第三光栅、挖空结构，所述第一光栅与第二光栅并列设置，所述第三光栅与挖空结构并列设置，所述下层陀螺模块包括X轴陀螺结构、Y轴陀螺结构、Z轴陀螺结构、空位、外框，所述X轴陀螺结构、Y轴陀螺结构并列设置在外框上，所述Z轴陀螺结构与空位并列设置在外框上。
所述第一光栅与第二光栅的栅线方向相互垂直，所述第一光栅与第三光栅的栅线方向一致，所述第一光栅、第二光栅、第三光栅、挖空结构分别设置在X轴陀螺结构、Y轴陀螺结构、Z轴陀螺结构、空位的正上方，所述空位与挖空结构的大小相等。
所述X轴陀螺结构包括X轴驱动质量块、第一T形梁、X轴检测质量块、L形梁，所述第一T形梁有四个，所述X轴驱动质量块通过四个第一T形梁与外框连接，所述X轴驱动质量块的中心处设置有X轴检测质量块，所述L形梁有四个，所述X轴检测质量块通过四个L形梁与X轴驱动质量块连接，所述X轴检测质量块采用光栅，所述X轴检测质量块光栅与第一光栅的栅线方向一致，所述Y轴陀螺结构与X轴陀螺结构的结构相同，所述Y轴陀螺结构与X轴陀螺结构的方向互相垂直。
所述Z轴陀螺结构包括Z轴驱动质量块、第二T形梁、Z轴检测质量块、第三T形梁，所述Z轴驱动质量块通过四个第二T形梁与外框连接，所述Z轴检测质量块设置在Z轴驱动质量块的中心处，所述Z轴检测质量块通过四个第三T形梁与Z轴驱动质量块连接，所述第二T形梁与第三T形梁的方向正交，所述Z轴检测质量块中心采用光栅，所述Z轴检测质量块光栅与第三光栅的栅线方向一致。
所述探测器模块包括第一四象限探测器、第二四象限探测器、第三四象限探测器、第四四象限探测器，所述第一四象限探测器、第二四象限探测器、第三四象限探测器、第四四象限探测器分别设置在X轴陀螺结构、Y轴陀螺结构、Z轴陀螺结构、空位的正下方。
所述光源模块的波长λ为635nm。
所述光源模块、扩束准直模块、上层光栅模块、下层陀螺模块上均设置有扣合结构，所述光源模块、扩束准直模块、上层光栅模块、下层陀螺模块、探测器模块通过扣合结构依次连接。
本发明与现有技术相比，具有的有益效果是：
本发明使用双层光栅结构，增大了角速度测量的灵敏度；并且本发明实现了单片集成微陀螺器件，减小了器件尺寸以及整体封装难度。本发明采用纳米光栅检测方式，提高了陀螺器件的测量精度及抗电磁干扰能力。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明上层光栅模块的结构示意图；
图3为本发明下层陀螺模块的结构示意图；
图4为本发明探测器模块的结构示意图；
其中：1为光源模块，2为扩束准直模块，3为上层光栅模块，4为下层陀螺模块，5为探测器模块，6为扣合结构，301为第一光栅，302为第二光栅，303为第三光栅，304为挖空结构，401为X轴陀螺结构，402为Y轴陀螺结构，403为Z轴陀螺结构，404为空位，405为外框，4011为X轴驱动质量块，4012为第一T形梁，4013为X轴检测质量块，4014为L形梁，4031为Z轴驱动质量块，4032为第二T形梁，4033为Z轴检测质量块，4034为第三T形梁，501为第一四象限探测器，502为第二四象限探测器，503为第三四象限探测器，504为第四四象限探测器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种基于正交光栅和四象限探测器的三轴陀螺结构，如图1所示，包括光源模块1、扩束准直模块2、上层光栅模块3、下层陀螺模块4、探测器模块5，光源模块1设置在扩束准直模块2的上方，使得光束可以覆盖整个结构，并且保证光束的平行度，进而提高角速度的测量精度。扩束准直模块2的下方设置有上层光栅模块3，上层光栅模块3的下方设置有下层陀螺模块4，下层陀螺模块4的下方设置有探测器模块5。如图2所示，上层光栅模块3包括第一光栅301、第二光栅302、第三光栅303、挖空结构304，第一光栅301与第二光栅302并列设置，第三光栅303与挖空结构304并列设置。下层陀螺模块4包括X轴陀螺结构401、Y轴陀螺结构402、Z轴陀螺结构403、空位404、外框405，X轴陀螺结构401、Y轴陀螺结构402并列设置在外框405上，Z轴陀螺结构403与空位404并列设置在外框405上。定义第二光栅302的栅线方向为X轴，定义第一光栅301的栅线方向为Y轴，以右手定则建立空间直角坐标系，在Y轴施加驱动力，当有沿X轴方向的角速度输入时，X轴陀螺结构401受到沿Z轴方向的科氏力，从而产生离面运动，此时通过双层光栅的衍射光强将发生变化，检测到的光强变化，再经过之后的电路处理，便可计算出输入的X轴角速度大小；402为Y轴陀螺结构，检测原理与X轴陀螺结构401同理，可通过计算得出输入的Y轴角速度大小；403为Z轴陀螺结构，在Y轴施加驱动力，当有沿Z轴方向的角速度输入时，检测质量块将受到沿X轴方向的科氏力，从而产生面内运动，此时通过双层光栅的衍射光强将发生变化，检测到的光强变化，再经过之后的电路处理，便可计算出输入的Z轴角速度大小。
进一步，第一光栅301与第二光栅302的栅线方向相互垂直，第一光栅301与第三光栅303的栅线方向一致，第一光栅301、第二光栅302、第三光栅303、挖空结构304分别设置在X轴陀螺结构401、Y轴陀螺结构402、Z轴陀螺结构403、空位404的正上方，空位404与挖空结构304的大小相等，由于光源的不稳定性会对测量精度产生直接影响，于是在上层光栅模块3、下层陀螺模块4的第四象限位置设置有大小相同的空位404与挖空结构304，用于监测激光光源的波动性，从而通过后续电路处理来消除这种影响。
进一步，如图3所示，X轴陀螺结构401包括X轴驱动质量块4011、第一T形梁4012、X轴检测质量块4013、L形梁4014，第一T形梁4012有四个，X轴驱动质量块4011通过四个第一T形梁4012与外框405连接，X轴驱动质量块4011的中心处设置有X轴检测质量块4013，L形梁4014有四个，X轴检测质量块4013通过四个L形梁4014与X轴驱动质量块4011连接，X轴检测质量块4013采用光栅，X轴检测质量块4013光栅与第一光栅301的栅线方向一致，Y轴陀螺结构402与X轴陀螺结构401的结构相同，Y轴陀螺结构402与X轴陀螺结构401的方向互相垂直。
进一步，Z轴陀螺结构403包括Z轴驱动质量块4031、第二T形梁4032、Z轴检测质量块4033、第三T形梁4034，Z轴驱动质量块4031通过四个第二T形梁4032与外框405连接，Z轴检测质量块4033设置在Z轴驱动质量块4031的中心处，Z轴检测质量块4033通过四个第三T形梁4034与Z轴驱动质量块4031连接，第二T形梁4032与第三T形梁4034的方向正交，Z轴检测质量块4033中心采用光栅，Z轴检测质量块4033光栅与第三光栅303的栅线方向一致。
进一步，如图4所示，探测器模块5包括第一四象限探测器501、第二四象限探测器502、第三四象限探测器503、第四四象限探测器504，第一四象限探测器501、第二四象限探测器502、第三四象限探测器503、第四四象限探测器504分别设置在X轴陀螺结构401、Y轴陀螺结构402、Z轴陀螺结构403、空位404的正下方。
进一步，优选的，光源模块1的波长λ为635nm。
进一步，优选的，光源模块1、扩束准直模块2、上层光栅模块3、下层陀螺模块4上均设置有扣合结构6，光源模块1、扩束准直模块2、上层光栅模块3、下层陀螺模块4、探测器模块5通过扣合结构6依次连接。
本发明的工作原理为：微陀螺的动力学方程为
Figure GDA0003188565950000061
Figure GDA0003188565950000062
式中：F0为驱动力幅值大小；ω为驱动力的角频率；mx，my分别为微陀螺驱动方向的质量和检测方向的质量；cx，cy分别为微陀螺驱动方向的阻尼和检测方向的阻尼；kx，ky分别为微陀螺驱动模态的刚度和检测模态的刚度；Ω为输入的角速度.通过求解式(1)和式(2)，可以得到微陀螺在驱动方向的稳态幅值Bx和检测方向的幅值By分别为
Figure GDA0003188565950000071
Figure GDA0003188565950000072
式中：Qx为驱动方向的品质因数值；ωx为驱动模态的角频率；Qy为检测方向的品质因数；ωy为检测模态的角频率.最终计算得到纳米光栅微陀螺结构灵敏度
Figure GDA0003188565950000073
上面仅对本发明的较佳实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化，各种变化均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于正交光栅和四象限探测器的三轴陀螺结构，其特征在于：包括光源模块(1)、扩束准直模块(2)、上层光栅模块(3)、下层陀螺模块(4)、探测器模块(5)，所述光源模块(1)设置在扩束准直模块(2)的上方，所述扩束准直模块(2)的下方设置有上层光栅模块(3)，所述上层光栅模块(3)的下方设置有下层陀螺模块(4)，所述下层陀螺模块(4)的下方设置有探测器模块(5)，所述上层光栅模块(3)包括第一光栅(301)、第二光栅(302)、第三光栅(303)、挖空结构(304)，所述第一光栅(301)与第二光栅(302)并列设置，所述第三光栅(303)与挖空结构(304)并列设置，所述下层陀螺模块(4)包括X轴陀螺结构(401)、Y轴陀螺结构(402)、Z轴陀螺结构(403)、空位(404)、外框(405)，所述X轴陀螺结构(401)、Y轴陀螺结构(402)并列设置在外框(405)上，所述Z轴陀螺结构(403)与空位(404)并列设置在外框(405)上。
2.根据权利要求1所述的一种基于正交光栅和四象限探测器的三轴陀螺结构，其特征在于：所述第一光栅(301)与第二光栅(302)的栅线方向相互垂直，所述第一光栅(301)与第三光栅(303)的栅线方向一致，所述第一光栅(301)、第二光栅(302)、第三光栅(303)、挖空结构(304)分别设置在X轴陀螺结构(401)、Y轴陀螺结构(402)、Z轴陀螺结构(403)、空位(404)的正上方，所述空位(404)与挖空结构(304)的大小相等。
3.根据权利要求1所述的一种基于正交光栅和四象限探测器的三轴陀螺结构，其特征在于：所述X轴陀螺结构(401)包括X轴驱动质量块(4011)、第一T形梁(4012)、X轴检测质量块(4013)、L形梁(4014)，所述第一T形梁(4012)有四个，所述X轴驱动质量块(4011)通过四个第一T形梁(4012)与外框(405)连接，所述X轴驱动质量块(4011)的中心处设置有X轴检测质量块(4013)，所述L形梁(4014)有四个，所述X轴检测质量块(4013)通过四个L形梁(4014)与X轴驱动质量块(4011)连接，所述X轴检测质量块(4013)采用光栅，所述X轴检测质量块(4013)光栅与第一光栅(301)的栅线方向一致，所述Y轴陀螺结构(402)与X轴陀螺结构(401)的结构相同，所述Y轴陀螺结构(402)与X轴陀螺结构(401)的方向互相垂直。
4.根据权利要求1所述的一种基于正交光栅和四象限探测器的三轴陀螺结构，其特征在于：所述Z轴陀螺结构(403)包括Z轴驱动质量块(4031)、第二T形梁(4032)、Z轴检测质量块(4033)、第三T形梁(4034)，所述Z轴驱动质量块(4031)通过四个第二T形梁(4032)与外框(405)连接，所述Z轴检测质量块(4033)设置在Z轴驱动质量块(4031)的中心处，所述Z轴检测质量块(4033)通过四个第三T形梁(4034)与Z轴驱动质量块(4031)连接，所述第二T形梁(4032)与第三T形梁(4034)的方向正交，所述Z轴检测质量块(4033)中心采用光栅，所述Z轴检测质量块(4033)光栅与第三光栅(303)的栅线方向一致。
5.根据权利要求1所述的一种基于正交光栅和四象限探测器的三轴陀螺结构，其特征在于：所述探测器模块(5)包括第一四象限探测器(501)、第二四象限探测器(502)、第三四象限探测器(503)、第四四象限探测器(504)，所述第一四象限探测器(501)、第二四象限探测器(502)、第三四象限探测器(503)、第四四象限探测器(504)分别设置在X轴陀螺结构(401)、Y轴陀螺结构(402)、Z轴陀螺结构(403)、空位(404)的正下方。
6.根据权利要求1所述的一种基于正交光栅和四象限探测器的三轴陀螺结构，其特征在于：所述光源模块(1)的波长λ为635nm。
7.根据权利要求1所述的一种基于正交光栅和四象限探测器的三轴陀螺结构，其特征在于：所述光源模块(1)、扩束准直模块(2)、上层光栅模块(3)、下层陀螺模块(4)上均设置有扣合结构(6)，所述光源模块(1)、扩束准直模块(2)、上层光栅模块(3)、下层陀螺模块(4)、探测器模块(5)通过扣合结构(6)依次连接。
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