CN1884972B - 微光机电陀螺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及测量转动角速度的装置，具体涉及声波技术，集成光波导技术的微光机电陀螺。它由激光光源、声表面波传感器、光波导、电光调制器、探测器和信号处理系统组成，其特征在于采用衍射光信号的读出方式对陀螺转动角速度进行测量。叉指换能器(IDT)产生声表面波改变介质的折射率形成密度光栅，使得波导中传输的光在声波光栅上发生衍射，由于物体在旋转时会产生哥氏力，使得声波的频率特征参量发生变化，探测器接收一级衍射光，从光强与相位的变化中解读出哥氏力敏感的角速度信息。本发明具有抗振动、抗电磁干扰的性能和宽的温度适应性，与现有的MEMS陀螺相比具有更高的精度。可以应用于中低精度的惯性测量单元。

Description

微光机电陀螺

技术领域：

本发明涉及微小型惯性测量装置，具体涉及微光机电陀螺。

背景技术：

惯性导航系统(INS)是实现自动导航、定位定向、稳定系统的关键部分，自从20世纪20年代诞生以来就一直在导航、姿态控制等领域占据着支配地位，而陀螺仪正是惯性系统中测量角速度的核心部件。

近年在惯导器件市场中，在使用便捷和价格上更具有综合优越性的陀螺是光学陀螺和微机械陀螺。各种实验证明它们比机械陀螺，静电陀螺、磁电陀螺等具有更大的应用优势。在光学陀螺仪中，激光陀螺在高精度应用领域占有优势，正处于全盛时期，主要应用于长期的精确惯导和陀螺罗经的场合，但其昂贵的成本限制了它的普及；中精度范围主要由价格相对低廉的光纤陀螺所覆盖，光纤陀螺也正向高精度挺进；而低精度范围，陀螺市场的分配份额更多的取决于陀螺的价格和小型化程度，微机械陀螺以其可集成化生产，小型化的特点在未来低精度陀螺市场的竞争中占有有利的地位。微机械陀螺以硅、石英和铌酸锂为主要基质材料，主要采用悬浮式结构方案和声表面波结构方案，悬浮结构的加工难度大，设备昂贵，限制了成本的降低，而声表面波的结构方案的限制在于：陀螺探测的是电频率的变化，受环境电磁场的影响较大，因而无法提高探测精度。

现阶段微机械陀螺和干涉型微光学陀螺IMOG在国外发展较早，欧美、日本、俄罗斯等均已开展研究，现在欧美已有微机械陀螺商品出售，精度5°/h的陀螺售价在$1000左右，国内清华大学、信息产业部26所在″十五″期间也分别完成了硅基和石英基微机械陀螺实验样品的研制，精度在20-30°/h。但是要想进一步提高陀螺的精度，必须在工艺水平和理论设计两个方面再有进一步的提高。

发明内容：

本发明的目的在于提出一种新的微光机电陀螺的设计方案，即采用声表面波传感器与光波导读出器相结合的结构方案。既保持了MEMS陀螺体积小，成本低，利于集成化生产的特点，又因光波频率远高于声波频率而大大提高了陀螺的探测精度。

本发明微光机电陀螺的设计方案通过以下方式来实现：

整个微光机电陀螺由光波导读出器、声表面波传感器和信号处理系统组成。选择一定角度切向的声光压电晶体作为波导的基底材料，利用钛扩散或质子交换技术制作出嵌入式条状光波导，在光波导的晶体表面加镀缓冲层，在缓冲层上制作叉指换能器的发射极和反射极，激光光源和光电探测器键合在光波导的两端，从光电探测器中输出的探测信号最后送入信号处理系统进行处理。

优化设计叉指换能器参数使声波在光波导表面形成驻波场，达到要求的调制深度。声波作为机械波，在介质中传播使介质折射率成周期性变化形成密度光栅，起光滤波器的作用。光波经光栅调制后得到一个窄线宽激光信号。当物体以角速率Ω旋转时，形成一个沿着声波传播方向的哥氏力，使介质产生形变从而引起“声光栅”的光栅常数发生微小的改变ΔΛ，进而改变衍射光波的波长与强度。由于声波的频率远小于光波频率，所以声波波长的微小改变可以引起光波波长的较大变化，通过光电探测器探测载有角速率信息的光波相位与强度的变化量，信号处理系统对光波信号进行解调处理，得出物体的转动特性参量。

为了同时满足本器件对声学性能和光学性能的要求，需要优化选择基底材料，对于传播介质，要充分考虑声波与光波的速率匹配，以及剪切波、高次谐波对信号信噪比的影响，对每种介质材料优化选择晶体切向，常用的声光波导介质有LiNbO₃、PbMoO₄、GaAs、Si或TeO₂晶体，合成有机材料等；对于电极材料，要获得高的机电耦合效率，必须满足阻抗匹配条件，常用的有铝(Al)电极，金(Au)电极等。

本发明器件的制作工艺流程分为嵌入式条状光波导制作工艺、电极制作工艺、键合和封装工艺几部分。将设计好的针对一定工作波长的单模光波导图形和叉指换能器的发射极、反射极和电光调制器电极图形制成一套光刻板，采用光刻、镀膜、扩散、刻蚀等工艺技术研制成嵌入式条状光波导，在晶体表面加镀一定厚度的SiO₂、MgO或ZnO薄膜作为缓冲层覆盖住光波导，在缓冲层上用光刻工艺在光波导图形上套刻出电极图形，溅射镀膜制成铝(Al)或金(Au)电极，采用电镀增厚工艺完成叉指换能器的电极制作。研磨抛光晶体两端面，分别将半导体激光器、探测器通过键合工艺与光波导两端面进行耦合，采用超声压焊工艺连接芯片与外壳的电极管脚，按绝热、抗振动、抗辐射要求对微光机电陀螺敏感头芯片进行封装。理论分析与数学模拟结果表明：当光刻工艺的尺寸精度为±0.5μm时，电极厚度误差为1％时，声波驱动电压波动±1％时，对陀螺精度的影响均在0.1％量级。

本发明的工作过程如下：

当驱动电源将正弦信号加载到叉指换能器上时，会在压电材料上产生波长与叉指换能器电极周期相匹配的声表面波：

$p_1=\frac{n{\mathrm{\λ}}_s}{2}---\left(1\right)$

其中n为正整数，通常选择n使电极宽度w为整数。

设计叉指换能器发射极和反射极之间的距离使声表面波在换能器之间形成驻波，这样声波传播引起的波导光折射率的变化为：

Δn′＝-PSn³sinω_stsink_sz                  (2)

沿z向声驻波的波腹处，折射率增量为最大值：

Δn′＝-PSn³sinω_st                        (3)

其中P为介质的光弹性系数，S为声波引起的应变

$S=\sqrt{\frac{2P_a}{\mathrm{\ρ}{v}_a^3\mathrm{HL}}}---\left(4\right)$

其中H，L分别为基质材料的长和宽，ρ为介质的密度，P_a为声波功率

$P_a=\mathrm{\ω}{C}_a{K}_{\mathrm{sm}}^2{V}^2---\left(5\right)$

式中Cs为电极的静电容，K_sm ²为叉指换能器的机电耦合效率。所以声波引起的光折射率变化为：

${\mathrm{\Δn}}^{\′}=-2n^{3}P\sin \left({\mathrm{\ω}}_{s}t\right)\sqrt{\frac{V^2{\mathrm{\ω}}_s\mathrm{W\ϵ}(\∞)(v_{\mathrm{sf}}-v_{\mathrm{sm}})}{\mathrm{HL\ρ}{v}_a^3{v}_{\mathrm{sf}}}}\sqrt{\frac{P_{-1/2}\left\{\cos \left(\frac{2\mathrm{\πw}}{p_1}\right)\right\}}{P_{-1/2}\{-\cos \left(\frac{2\mathrm{\πw}}{p_1}\right)\}}}---\left(6\right)$

激光源发出的激光通过声波作用区的时候会受到声波密度光栅的调制，光栅反射信号为一个窄线宽的激光λ₀＝2Λnsinθ，光栅的反射率为

$R={\sin }^2\left(\frac{\mathrm{\π\ΔnL}}{\mathrm{\λ}}\right)---\left(7\right)$

其中Δn为介质折射率的变化量。

陀螺旋转时，角速率Ω会产生哥氏惯性力，使介质发生形变，从而引起密度光栅的光栅常数发生变化。Ω引入的折射率变化为 $\mathrm{\Δ}{n}^{\′\′}=-\frac{1}{2}{\mathrm{PSn}}^3,$ 其中介质应变 $S=s\·\frac{F_e}{A},$ A为基质材料的截面积。所以旋转引起的折射率变化是：

即公式(7)中的Δn由Δn′和Δn″两部分组成。通过对反射光波信号进行解调就可以得到包含转动角速率Ω的转动信息。

本发明作为中低精度陀螺，可用于战机、舰船、火炮战车和各类导弹上形成自主导航、精确对准、稳瞄稳像和自行控制等系统，提高了武器的精确打击和自动控制能力，提高了战争的现代化程度。同时它在民用领域如深空探测：航天器回收仓的导航；地质勘探与野外施工测量：指北仪、定位定向系统；民航飞机、车辆、机器人导航、精密探测仪器的稳定系统，铁路、公路检测等方面。

本发明的技术效果在于：

1.采用了光衍射读出的探测方式，与普通的微机械陀螺相比，探测精度可改善至少一、两个数量级，使微小型陀螺进入中精度等级，扩大了应用范围。

2.探测信号采用光学读出方式，提高了器件抗电磁干扰的能力。

3.器件工艺加工的冗余量大，精度要求比其他MEMS陀螺宽松，理论推导得出电极的刻蚀精度对信号影响很小，便于规模化生产和达到高的成品率，有利于降低陀螺的成本。

4.微光机电陀螺为一体化芯片形式，可选择的介质材料范围广泛，比光纤陀螺受应力影响小，热稳定性能好。

5.无转动部件，比机械陀螺抗振动性能优越，不受重力加速度的影响，无需预热，启动时间短，使用寿命长。

附图说明：

附图1为本发明的整体结构示意图。

具体实施方式：

从图中可以看到，整个微光机电陀螺系统由光读出器、声表面波传感器和信号处理系统组成：光波导读出器由激光光源1、光源驱动电路9、电光波导调制器3和光电探测器2构成；声表面波传感器由声波驱动电路8、叉指换能器(IDT)构成；信号处理系统7仍然采用电信号处理方式。整个微光机电陀螺系统集成在铌酸锂晶体为基底材料6的一体化芯片上，基片尺寸为20×10×1mm。波长λ＝808nm的半导体激光器1(FLMM-0808-7*1-1.5W)由光源驱动电路9驱动，与光电探测器2(PIN21112)分别键合在中心波长为808nm的光波导4两端，为了减少叉指换能器(IDT)对光波的损耗，在叉指换能器和波导层之间制作SiO₂、MgO或ZnO的缓冲层5。相位调制器3制作在叉指换能器和探测器之间的光路上，对出射光波相位进行四分之一周期的调制。声波驱动电路8的驱动电压加载在叉指换能器(IDT)的上下两端，声波和光波驱动电路的时钟信号由时钟供给单元10统一供给，光电探测器输出的信号最终经由信号处理单元7进行处理后输出角速率信息。

Claims (2)

1.一种微光机电陀螺，由声表面波传感器、光读出器和信号处理系统组成，其中声表面波传感器由声表面波叉指换能器和微波驱动电源构成；光读出器由激光光源、光源驱动电源、电光调制器和光电探测器构成，信号处理系统采用电信号处理方式；其特征在于采用声表面波传感器加光读出器相结合的角速率探测结构：在条状光波导上面制作出声表面波叉指换能器产生声表面波，在波导和声表面波叉指换能器之间加缓冲层，激光光源与光电探测器键合在波导两端，光电探测器连接信号处理电路，实现角速率信号的解调与输出。

2.如权利要求1所述的微光机电陀螺，其特征在于，光读出器采用窄线宽的半导体激光光源减少散射光噪声的影响，并采用电光调制器使工作点稳定设置在光栅反射谱的最佳线性区。