CN113916209B - 一种基于双层光栅近场泰伯效应的微机械陀螺 - Google Patents

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Abstract

本发明属于微机械陀螺技术领域，具体涉及一种基于双层光栅近场泰伯效应的微机械陀螺，所述激光器的光路方向上设置有上层玻璃板，所述上层玻璃板的底部固定有上层光栅，所述上层光栅的正下方设置有可动敏感结构，所述下层光栅设置在可动敏感结构上，所述可动敏感结构的下方设置有磁铁，所述磁铁的中心处设置有下层玻璃板，所述下层玻璃板设置在可动敏感结构的正下方，所述下层玻璃板的下方设置有光电探测器。本发明使用基于光栅近场泰伯效应原理的测量方法，相较于较为常见的远场衍射，本发明采用近场衍射可以简化微陀螺结构中位移测量系统，减小了陀螺体积，提高微陀螺的集成度，有利于陀螺的微型化。

Description

一种基于双层光栅近场泰伯效应的微机械陀螺
技术领域
本发明属于微机械陀螺技术领域，具体涉及一种基于双层光栅近场泰伯效应的微机械陀螺。
背景技术
MEMS陀螺仪发展于20世纪80年代，指的是用微机械加工工艺制造的陀螺仪，主要是利用科里奥利力原理(当一个物体在坐标系中直线移动时，假设坐标系做一个旋转，则在旋转的过程中，物体会感受到一个垂直的力和垂直方向的加速度，此力即为科里奥利力)。在MEMS器件中利用该原理做成陀螺仪需要先用MEMS做一个震动系统，通过快速稳定的震动产生一个线性的运动V，当V的平面有一个旋转的拓扑出来的时候，就可以检测出科里奥利力的方向，根据公式可以算出角速度，并可通过稳定的震荡去掉重力的干扰。
目前MEMS陀螺仪的检测方式主要有电容式、压电式、光栅式等检测方式，其中电容式MEMS陀螺仪目前发展最成熟，具有较高的测量精度，工艺制备也很成熟，但很容易受到电磁干扰，需要配合信号处理电路使用。并且电容式MEMS陀螺的结构大都采用梳齿型，各可动梳齿垂直于质量块的边缘并沿着敏感方向平行放置，而固定梳齿等间距地分布在移动梳齿的两边,构成电容差分对。但这种结构要求每个固定梳齿都必需与基片单独键合，大大地增加了工艺的难度，不利于成品率的提高而且当随着微陀螺进一步小型化时，梳齿状结构容易遭到破坏，无法提升其分辨率。光栅式检测与电容式检测相比，具有抗电磁干扰，电绝缘的优点，而且光栅式MEMS陀螺分辨率有很大提升空间，光栅常数越小，光栅式MEMS陀螺的分辨率就越高。
发明内容
针对上述的技术问题，本发明提供了一种输出信号对比度强、灵敏度高、集成度高的基于双层光栅近场泰伯效应的微机械陀螺。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种基于双层光栅近场泰伯效应的微机械陀螺，包括激光器、上层玻璃板、上层光栅、下层光栅、可动敏感结构、下层玻璃板、光电探测器、电磁驱动导线、驱动反馈导线、磁铁，所述激光器的光路方向上设置有上层玻璃板，所述上层玻璃板的底部固定有上层光栅，所述上层光栅的正下方设置有可动敏感结构，所述下层光栅设置在可动敏感结构上，所述可动敏感结构的下方设置有磁铁，所述磁铁的中心处设置有下层玻璃板，所述下层玻璃板设置在可动敏感结构的正下方，所述下层玻璃板的下方设置有光电探测器，所述可动敏感结构的一侧布置有电磁驱动导线，所述可动敏感结构的另一侧布置有驱动反馈导线；所述激光器发出的光垂直入射上层玻璃板，之后入射上层光栅发生近场衍射，产生泰伯效应，所述下层光栅放置在可动敏感结构上，距离上层光栅一个泰伯距离，则激光器发出的光经上层光栅发生近场衍射，之后经过下层光栅再次发生近场衍射，穿过可动敏感结构和下层玻璃板射到光电探测器上，通过光电探测器将透射光强转化为电信号，便于测量与处理。
所述可动敏感结构包括外壳、支撑梁、回折型驱动梁、L型驱动梁、质量块，所述外壳的四角设置有四根支撑梁，所述支撑梁上固定有回折型驱动梁，所述L型驱动梁与回折型驱动梁连接，所述质量块四周有四根L型驱动梁，用于支撑质量块在Z轴方向上做离面运动，所述下层光栅固定在质量块上。
所述激光器的波长为λ＝1550μm，所述激光器的功率为P＝1mW。
所述上层光栅和下层光栅的光栅常数为d＝2μm，所述上层光栅和下层光栅的占空比为0.5，所述所述上层光栅和下层光栅采用铝。
一种基于双层光栅近场泰伯效应的微机械陀螺的测量方法，包括下列步骤：
S1、定义光栅的法向方向为Z方向，依据右手定则建立XYZ坐标系；
S2、通过电磁驱动导线通入交流电，在磁铁的作用下产生安培力驱动质量块在X轴上作稳幅谐振运动；
S3、引入一个绕Y轴的角速度，则在竖直方向Z上会产生科里奥利力F，科里奥利力作用在质量块上，使质量块在Z轴上发生位移，由于下层光栅固定在质量块上，下层光栅与质量块做相同的运动，使得双层光栅之间间距发生变化，导致相对光强发生变化；
S4、利用泰伯效应原理实现对质量块位移的测量，进而通过质量块位移与角速度的关系计算出角速度的大小。
所述S4中计算出角速度的方法为：科里奥利力F作用质量块带动下层光栅做离面运动，所以由位移量x与时间t的关系算得加速度a，所述
Figure BDA0003290935720000031
由此计算出科里奥利力F的大小，所述F＝ma，所述m为质量块的质量，所述科里奥利力F＝2mrω2，所述r是角速度的半径，所述ω为角速度，从而推导出位移与角速度的关系，所述
Figure BDA0003290935720000032
所述S4中质量块位移测量的方法为：激光器发出的光垂直入射于上层玻璃板，经过上层光栅后发生衍射，产生泰伯效应，所述泰伯效应是指用单色平面波垂直照射一个周期性物体时，在物体后面周期性距离z上会出现物体的像，所述
Figure BDA0003290935720000033
所述d为光栅常数，所述λ为入射激光的波长，从而产生一个倒三角形的泰伯区域，所述泰伯区域的高为D，所述
Figure BDA0003290935720000034
将下层光栅放置在上层光栅的1倍泰伯距离处，则激光器发出的光经上层光栅发生近场衍射产生泰伯效应，之后再经过下层光栅再次发生近场衍射产生泰伯效应，在质量块下方依然会存在泰伯区域，当质量块在科里奥利力作用下做离面运动，带动下层光栅也做离面运动，上层光栅与下层光栅之间距离发生变化，导致透射光强发生变化，由于光是电磁波，采用电场来表示光强的变化，在泰伯区域内位移与电场模之间是一种正弦关系，斜率最大地方就是微陀螺灵敏度最高的地方，通过光电探测器将相对光强变化转化为电压信号的变化，从而实现对质量块位移的测量。
本发明与现有技术相比，具有的有益效果是：
1、本发明通过基于光栅近场泰伯效应原理的测量方法提高了位移测量的灵敏度，从而提高了微陀螺检测的灵敏度。同时，本发明实现了光路的严格共路，输出信号有很好的周期性，实现了较强的输出信号对比度。
2、本发明使用基于光栅近场泰伯效应原理的测量方法，相较于较为常见的远场衍射，本发明采用近场衍射可以简化微陀螺结构中位移测量系统，减小了陀螺体积，提高微陀螺的集成度，有利于陀螺的微型化。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明可动敏感结构的结构示意图；
图3为本发明泰伯效应仿真图；
图4为本发明泰伯区域内位移与电场模关系图。
其中：1为激光器，2为上层玻璃板，3为上层光栅，4为下层光栅，5为可动敏感结构，6为下层玻璃板，7为光电探测器，8为电磁驱动导线，9为驱动反馈导线，10为磁铁，501为外壳，502为支撑梁，503为回折型驱动梁，504为L型驱动梁，505为质量块。
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。
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。
一种基于双层光栅近场泰伯效应的微机械陀螺，如图1所示，包括激光器1、上层玻璃板2、上层光栅3、下层光栅4、可动敏感结构5、下层玻璃板6、光电探测器7、电磁驱动导线8、驱动反馈导线9、磁铁10，激光器1的光路方向上设置有上层玻璃板2，上层玻璃板2的底部固定有上层光栅3，上层光栅3的正下方设置有可动敏感结构5，下层光栅4设置在可动敏感结构5上，可动敏感结构5的下方设置有磁铁10，磁铁10的中心处设置有下层玻璃板6，下层玻璃板6设置在可动敏感结构5的正下方，下层玻璃板6的下方设置有光电探测器7，可动敏感结构5的一侧布置有电磁驱动导线8，可动敏感结构5的另一侧布置有驱动反馈导线9。激光器1发出的光垂直入射上层玻璃板2，之后入射上层光栅3发生近场衍射，产生泰伯效应，下层光栅4放置在可动敏感结构5上，距离上层光栅3一个泰伯距离，则激光器1发出的光经上层光栅3发生近场衍射，之后经过下层光栅4再次发生近场衍射，穿过可动敏感结构5和下层玻璃板6射到光电探测器7上，通过光电探测器7将透射光强转化为电信号，便于测量与处理。
进一步，如图2所示，可动敏感结构5包括外壳501、支撑梁502、回折型驱动梁503、L型驱动梁504、质量块505，外壳501的四角设置有四根支撑梁502，支撑梁502上固定有回折型驱动梁503，L型驱动梁504与回折型驱动梁503连接，质量块505四周有四根L型驱动梁504，用于支撑质量块505在Z轴方向上做离面运动，下层光栅4固定在质量块505上。
进一步，优选的，激光器1的波长为λ＝1550μm，激光器1的功率为P＝1mW。
进一步，优选的，上层光栅3和下层光栅4的光栅常数为d＝2μm，上层光栅3和下层光栅4的占空比为0.5，上层光栅3和下层光栅4采用铝。
一种基于双层光栅近场泰伯效应的微机械陀螺的测量方法，包括下列步骤：
S1、定义光栅的法向方向为Z方向，依据右手定则建立XYZ坐标系；
S2、通过电磁驱动导线通入交流电，在磁铁的作用下产生安培力驱动质量块在X轴上作稳幅谐振运动；
S3、引入一个绕Y轴的角速度，则在竖直方向Z上会产生科里奥利力F，科里奥利力作用在质量块上，使质量块在Z轴上发生位移，由于下层光栅固定在质量块上，下层光栅与质量块做相同的运动，使得双层光栅之间间距发生变化，导致相对光强发生变化；
S4、利用泰伯效应原理实现对质量块位移的测量，进而通过质量块位移与角速度的关系计算出角速度的大小。
进一步，S4中计算出角速度的方法为：科里奥利力F作用质量块带动下层光栅做离面运动，所以由位移量x与时间t的关系算得加速度a，
Figure BDA0003290935720000061
由此计算出科里奥利力F的大小，F＝ma，m为质量块的质量，科里奥利力F＝2mrω2，r是角速度的半径，ω为角速度，从而推导出位移与角速度的关系，
Figure BDA0003290935720000071
进一步，S4中质量块位移测量的方法为：激光器发出的光垂直入射于上层玻璃板，经过上层光栅后发生衍射，产生泰伯效应，泰伯效应是指用单色平面波垂直照射一个周期性物体时，在物体后面周期性距离z上会出现物体的像，
Figure BDA0003290935720000072
d为光栅常数，λ为入射激光的波长，从而产生一个倒三角形的泰伯区域，如图3所示，泰伯区域的高为D，
Figure BDA0003290935720000073
将下层光栅放置在上层光栅的1倍泰伯距离处，则激光器发出的光经上层光栅发生近场衍射产生泰伯效应，之后再经过下层光栅再次发生近场衍射产生泰伯效应，在质量块下方依然会存在泰伯区域，当质量块在科里奥利力作用下做离面运动，带动下层光栅也做离面运动，上层光栅与下层光栅之间距离发生变化，导致透射光强发生变化，由于光是电磁波，采用电场来表示光强的变化。如图4所示，在泰伯区域内位移与电场模之间是一种正弦关系，斜率最大地方就是微陀螺灵敏度最高的地方，通过光电探测器将相对光强变化转化为电压信号的变化，从而实现对质量块位移的测量。
由上述推论可知，由科里奥利力引起质量块发生位移，带动下层光栅发生位移，从而引起透射光强的变化，通过测量透射光强变化的大小可实现对下层光栅位移的测量。同时，透射光强的变化与位移之间的关系有很好的斜率与较好的线性度，输出信号有良好的周期性。因此，当微陀螺采用近场衍射泰伯效应原理检测时，双层光栅泰伯效应微陀螺能够保证很好的灵敏度性能和很高的集成度，提高MEMS陀螺综合精度。
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 (5)

1.一种基于双层光栅近场泰伯效应的微机械陀螺的测量方法，其特征在于：
所述微机械陀螺包括：激光器(1)、上层玻璃板(2)、上层光栅(3)、下层光栅(4)、可动敏感结构(5)、下层玻璃板(6)、光电探测器(7)、电磁驱动导线(8)、驱动反馈导线(9)、磁铁(10)，所述激光器(1)的光路方向上设置有上层玻璃板(2)，所述上层玻璃板(2)的底部固定有上层光栅(3)，所述上层光栅(3)的正下方设置有可动敏感结构(5)，所述下层光栅(4)设置在可动敏感结构(5)上，所述可动敏感结构(5)的下方设置有磁铁(10)，所述磁铁(10)的中心处设置有下层玻璃板(6)，所述下层玻璃板(6)设置在可动敏感结构(5)的正下方，所述下层玻璃板(6)的下方设置有光电探测器(7)，所述可动敏感结构(5)的一侧布置有电磁驱动导线(8)，所述可动敏感结构(5)的另一侧布置有驱动反馈导线(9)；所述激光器(1)发出的光垂直入射上层玻璃板(2)，之后入射上层光栅(3)发生近场衍射，产生泰伯效应，所述下层光栅(4)放置在可动敏感结构(5)上，距离上层光栅(3)一个泰伯距离，则激光器(1)发出的光经上层光栅(3)发生近场衍射，之后经过下层光栅(4)再次发生近场衍射，穿过可动敏感结构(5)和下层玻璃板(6)射到光电探测器(7)上，通过光电探测器(7)将透射光强转化为电信号，便于测量与处理；所述可动敏感结构(5)包括外壳(501)、支撑梁(502)、回折型驱动梁(503)、L型驱动梁(504)、质量块(505)，所述外壳(501)的四角设置有四根支撑梁(502)，所述支撑梁(502)上固定有回折型驱动梁(503)，所述L型驱动梁(504)与回折型驱动梁(503)连接，所述质量块(505)四周有四根L型驱动梁(504)，用于支撑质量块(505)在Z轴方向上做离面运动，所述下层光栅(4)固定在质量块(505)上；
所述测量方法包括下列步骤：
S1、定义光栅的法向方向为Z方向，依据右手定则建立XYZ坐标系；
S2、通过电磁驱动导线通入交流电，在磁铁的作用下产生安培力驱动质量块在X轴上作稳幅谐振运动；
S3、引入一个绕Y轴的角速度，则在竖直方向Z上会产生科里奥利力F，科里奥利力作用在质量块上，使质量块在Z轴上发生位移，由于下层光栅固定在质量块上，下层光栅与质量块做相同的运动，使得双层光栅之间间距发生变化，导致相对光强发生变化；
S4、利用泰伯效应原理实现对质量块位移的测量，进而通过质量块位移与角速度的关系计算出角速度的大小；
所述S4中计算出角速度的方法为：科里奥利力F作用质量块带动下层光栅做离面运动，所以由位移量x与时间t的关系算得加速度a，所述
Figure FDA0004159186010000021
由此计算出科里奥利力F的大小，所述F＝ma，所述m为质量块的质量，所述科里奥利力F＝2mrω2，所述r是角速度的半径，所述ω为角速度，从而推导出位移与角速度的关系，所述
Figure FDA0004159186010000022
2.根据权利要求1所述的一种基于双层光栅近场泰伯效应的微机械陀螺的测量方法，其特征在于：所述激光器(1)的波长为λ＝1550μm，所述激光器(1)的功率为P＝1mW。
3.根据权利要求1所述的一种基于双层光栅近场泰伯效应的微机械陀螺的测量方法，其特征在于：所述上层光栅(3)和下层光栅(4)的光栅常数为d＝2μm，所述上层光栅(3)和下层光栅(4)的占空比为0.5，所述上层光栅(3)和下层光栅(4)采用铝。
4.根据权利要求1所述的一种基于双层光栅近场泰伯效应的微机械陀螺的测量方法，其特征在于：
5.根据权利要求1所述的一种基于双层光栅近场泰伯效应的微机械陀螺的测量方法，其特征在于：所述S4中质量块位移测量的方法为：激光器发出的光垂直入射于上层玻璃板，经过上层光栅后发生衍射，产生泰伯效应，所述泰伯效应是指用单色平面波垂直照射一个周期性物体时，在物体后面周期性距离z上会出现物体的像，所述
Figure FDA0004159186010000031
所述d为光栅常数，所述λ为入射激光的波长，从而产生一个倒三角形的泰伯区域，所述泰伯区域的高为D，所述
Figure FDA0004159186010000032
将下层光栅放置在上层光栅的1倍泰伯距离处，则激光器发出的光经上层光栅发生近场衍射产生泰伯效应，之后再经过下层光栅再次发生近场衍射产生泰伯效应，在质量块下方依然会存在泰伯区域，当质量块在科里奥利力作用下做离面运动，带动下层光栅也做离面运动，上层光栅与下层光栅之间距离发生变化，导致透射光强发生变化，由于光是电磁波，采用电场来表示光强的变化，在泰伯区域内位移与电场模之间是一种正弦关系，斜率最大地方就是微陀螺灵敏度最高的地方，通过光电探测器将相对光强变化转化为电压信号的变化，从而实现对质量块位移的测量。
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