一種基于納米光柵檢測(cè)的高q值微機(jī)械陀螺結(jié)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及微慣性導(dǎo)航技術(shù)相關(guān)領(lǐng)域，具體而言，涉及一種基于納米光柵檢測(cè)的 高Q值微機(jī)械陀螺結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002] 微機(jī)械陀螺的核心技術(shù)是對(duì)微弱柯氏力引起的微應(yīng)力或微位移進(jìn)行檢測(cè)。隨著器 件微型化，檢測(cè)局限性越來(lái)越多，限制了陀螺檢測(cè)靈敏度的進(jìn)一步提高。目前微機(jī)械陀螺主 要有：壓阻式微機(jī)械陀螺、電容式微機(jī)械陀螺、壓電式微機(jī)械陀螺以及石英微陀螺等。壓阻 式微機(jī)械陀螺的靈敏度較低，固有的溫度效應(yīng)極大地限制了其應(yīng)用；目前廣泛應(yīng)用的微機(jī) 械陀螺是電容式微機(jī)械陀螺，但隨著微陀螺的進(jìn)一步微型化，電容式微機(jī)械陀螺梳齒電壓 容易擊穿，制造工藝精度要求較高，電路復(fù)雜，易受電磁干擾；壓電式微機(jī)械陀螺零點(diǎn)容易 漂移，需要經(jīng)常校正，歸零慢，不宜連續(xù)測(cè)試；石英微陀螺中的石英晶體自身材料特性決定 了其在Z軸（光軸）方向上完全沒(méi)有壓電效應(yīng)，這也在一定程度上限制了其在多軸檢測(cè)方 面的應(yīng)用。
[0003] 現(xiàn)有的微機(jī)械陀螺儀都具有其局限性，限制了微機(jī)械陀螺儀的進(jìn)一步發(fā)展。微機(jī) 械陀螺儀中的柯氏力非常微弱，產(chǎn)生的應(yīng)力或位移非常微小，對(duì)其進(jìn)行精確檢測(cè)需要極高 的檢測(cè)靈敏度和分辨能力。而納米光柵對(duì)微位移檢測(cè)具有高分辨率、低噪聲的優(yōu)點(diǎn)，其分 辨率可達(dá)fm級(jí)，噪聲可接近熱噪聲極限。美國(guó)Sandia實(shí)驗(yàn)室制作的基于納米光柵檢測(cè)的
者結(jié)合起來(lái)，采用納米光柵檢測(cè)微機(jī)械陀螺產(chǎn)生的微位移具有可行性。在實(shí)用新型專(zhuān)利"一 種基于納米光柵檢測(cè)的新型陀螺儀"中（申請(qǐng)?zhí)枮椋?01320697940. 1)，它也是采用納米光 柵檢測(cè)的微機(jī)械陀螺結(jié)構(gòu)，但是該微機(jī)械陀螺的上下兩層結(jié)構(gòu)間的阻尼系數(shù)太大，最終導(dǎo) 致該微機(jī)械陀螺結(jié)構(gòu)的靈敏度太小，而本發(fā)明通過(guò)將下層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成一個(gè)凸臺(tái)，減小了上 下兩層結(jié)構(gòu)間的有效交疊面積，最終將微機(jī)械陀螺的靈敏度提高了 1-2個(gè)數(shù)量級(jí)。本發(fā)明 的采用的納米光柵檢測(cè)是基于面內(nèi)檢測(cè)的，而實(shí)用新型專(zhuān)利"一種基于納米光柵檢測(cè)的新 型陀螺儀"中采用的是離面檢測(cè)，根據(jù)國(guó)內(nèi)外研究可知，面內(nèi)檢測(cè)的納米光柵效應(yīng)靈敏度要 比離面檢測(cè)的納米光柵效應(yīng)靈敏度高3個(gè)數(shù)量級(jí)，而且本發(fā)明的微陀螺結(jié)構(gòu)與實(shí)用新型專(zhuān) 利"一種基于納米光柵檢測(cè)的新型陀螺儀"的微陀螺結(jié)構(gòu)是完全不同的，可以看出，本發(fā)明 的實(shí)用性和前景更加寬廣。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明旨在解決現(xiàn)有的基于納米光柵檢測(cè)的微機(jī)械陀螺雙層結(jié)構(gòu)間的阻尼系數(shù) 太大、Q值太小的問(wèn)題。
[0005] 為了有效解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提出一種基于納米光柵檢測(cè)的高Q值微機(jī)械陀螺 結(jié)構(gòu)。由于雙層納米光柵間的間距很近，微機(jī)械陀螺結(jié)構(gòu)的阻尼系數(shù)必然會(huì)很大，本發(fā)明 中，通過(guò)將下層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成一個(gè)凸臺(tái)，減小上下兩層結(jié)構(gòu)間的交疊面積，可以減小雙層結(jié)構(gòu) 間的阻尼系數(shù)，從而增大Q值，本發(fā)明擬提高該微機(jī)械陀螺結(jié)構(gòu)的Q值1-2個(gè)數(shù)量級(jí)。
[0006] -種基于納米光柵檢測(cè)的高Q值微機(jī)械陀螺結(jié)構(gòu)，所述微機(jī)械陀螺結(jié)構(gòu)具有一設(shè) 置固定納米光柵的凸臺(tái)，所述凸臺(tái)實(shí)現(xiàn)減小下層固定結(jié)構(gòu)和上層可動(dòng)結(jié)構(gòu)間的交疊面積。
[0007] 進(jìn)一步地，所述微機(jī)械陀螺結(jié)構(gòu)還包括一支撐框體，所述支撐框體設(shè)置在凸臺(tái)上 方，所述凸臺(tái)中心處設(shè)置固定納米光柵；所述支撐框體中心處設(shè)置可動(dòng)結(jié)構(gòu)。
[0008] 進(jìn)一步地，所述可動(dòng)結(jié)構(gòu)包括可動(dòng)框體及質(zhì)量塊，所述質(zhì)量塊通過(guò)檢測(cè)懸臂梁固 定在可動(dòng)框體中間；
[0009] 所述可動(dòng)框體通過(guò)驅(qū)動(dòng)懸臂梁、連接塊與所述支撐框體連接。
[0010] 進(jìn)一步地，所述質(zhì)量塊正中心設(shè)有凹槽，所述凹槽中間位置設(shè)有可動(dòng)納米光柵，所 述可動(dòng)納米光柵與所述固定納米光柵位置相對(duì)應(yīng)。
[0011] 進(jìn)一步地，所述凸臺(tái)正下方設(shè)有用于為納米光柵提供光源的激光光源；
[0012] 在所述可動(dòng)納米光柵正上方設(shè)有用于檢測(cè)透過(guò)過(guò)納米光柵的光強(qiáng)、并將檢測(cè)到的 光強(qiáng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的光電轉(zhuǎn)換模塊，所述光電轉(zhuǎn)換模塊邊側(cè)設(shè)置用于將光電轉(zhuǎn)換模塊獲得 的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為角速度信號(hào)的信號(hào)檢測(cè)模塊。
[0013] 進(jìn)一步地，所述連接塊連接在支撐框體上，所述可動(dòng)框體通過(guò)四根驅(qū)動(dòng)懸臂梁連 接在連接塊上，所述檢測(cè)懸臂梁的數(shù)量也為四根。
[0014] 進(jìn)一步地，所述連接塊、驅(qū)動(dòng)懸臂梁和可動(dòng)框體布置有電磁驅(qū)動(dòng)導(dǎo)線。
[0015] 本發(fā)明中的微機(jī)械陀螺結(jié)構(gòu)，凸臺(tái)上布置的固定納米光柵和質(zhì)量塊上布置的可 動(dòng)納米光柵共同組成位移敏感器件，質(zhì)量塊產(chǎn)生水平位移將帶動(dòng)可動(dòng)納米光柵發(fā)生位移， 該微位移將導(dǎo)致透射的光強(qiáng)發(fā)生劇烈變化，通過(guò)檢測(cè)光強(qiáng)的變化就能得到輸入角速度的大 小，基于納米光柵檢測(cè)的微機(jī)械陀螺擬將微機(jī)械陀螺的靈敏度提高一到兩個(gè)數(shù)量級(jí)。
[0016] 本發(fā)明將下層固定光柵設(shè)置在一個(gè)凸臺(tái)上，減小了下層固定結(jié)構(gòu)與上層可動(dòng)結(jié)構(gòu) 間的交疊面積，當(dāng)微機(jī)械陀螺的質(zhì)量塊在柯氏力的作用下產(chǎn)生水平位移時(shí)，上下兩層結(jié)構(gòu) 間的滑膜阻尼系數(shù)大大減小，增大了該微機(jī)械陀螺的結(jié)構(gòu)靈敏度，將基于納米光柵檢測(cè)的 微機(jī)械陀螺的結(jié)構(gòu)靈敏度提高1-2個(gè)數(shù)量級(jí)，其整體結(jié)構(gòu)緊湊，具有靈敏度高的優(yōu)勢(shì)。
【附圖說(shuō)明】
[0017] 本發(fā)明的上述和/或附加的方面和優(yōu)點(diǎn)結(jié)合下面附圖對(duì)實(shí)施例的描述中將變得 明顯和容易理解，其中：
[0018] 圖1為本發(fā)明實(shí)施例的微機(jī)械陀螺結(jié)構(gòu)整體結(jié)構(gòu)原理圖；
[0019] 圖2為本發(fā)明實(shí)施例的微機(jī)械陀螺結(jié)構(gòu)凸臺(tái)結(jié)構(gòu)圖；
[0020] 圖3為本發(fā)明實(shí)施例的微機(jī)械陀螺結(jié)構(gòu)上層可動(dòng)結(jié)構(gòu)圖；
[0021] 圖4為本發(fā)明實(shí)施例的微機(jī)械陀螺結(jié)構(gòu)上層可動(dòng)結(jié)構(gòu)俯視圖；
[0022] 圖5為本發(fā)明實(shí)施例的微機(jī)械陀螺結(jié)構(gòu)敏感原理圖；
[0023] 圖6為本發(fā)明實(shí)施例的雙層納米光柵結(jié)構(gòu)圖。
[0024] 圖中所示，附圖標(biāo)記清單如下：
[0025] 1、支撐框體；2、質(zhì)量塊；3、可動(dòng)納米光柵；4、連接塊；5、檢測(cè)懸臂梁；6、可動(dòng)框體； 7、電磁驅(qū)動(dòng)導(dǎo)線；8、驅(qū)動(dòng)懸臂梁；9、凹槽；10、凸臺(tái)；11、激光光源；12、固定納米光柵；13、 光電轉(zhuǎn)換模塊；14、信號(hào)檢測(cè)模塊。
【具體實(shí)施方式】
[0026] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，所述實(shí)施例的示例在附圖中 示出，其中自始至終相同或類(lèi)似的標(biāo)號(hào)表示表示相同或類(lèi)似的原件或具有相同或類(lèi)似功能 的元件。下面通過(guò)參考附圖描述的實(shí)施例是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對(duì) 本發(fā)明的限制。
[0027] 在本發(fā)明中，需要解釋的是，術(shù)語(yǔ)"中心"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"等指示 的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述和簡(jiǎn)化描述本發(fā) 明，而不是指示或暗示所指的結(jié)構(gòu)或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作， 因此不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制。
[0028] 在本發(fā)明中，需要說(shuō)明的是，除非另有明確的規(guī)定和限定，術(shù)語(yǔ)"相連"、"連接"應(yīng) 做廣義解釋?zhuān)纾嚎梢怨潭ㄟB接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機(jī)械連接， 也可以是電連接；可以是直接連接，也可以是通過(guò)中間媒介間接相連，可以是兩個(gè)元件內(nèi)部 的連通。對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，可以具體情況理解上述術(shù)語(yǔ)在本發(fā)明中的具體含義。
[0029] 基于納米光柵檢測(cè)的高Q值微機(jī)械陀螺主要可用水平和垂直可調(diào)檢測(cè)方式，相比 于垂直可調(diào)的微機(jī)械陀螺，水平可調(diào)的微機(jī)械陀螺儀的精度要高三個(gè)數(shù)量級(jí)。其基本工作 原理是：由電磁驅(qū)動(dòng)內(nèi)框帶動(dòng)質(zhì)量塊在驅(qū)動(dòng)方向諧振，當(dāng)有角速度《輸入時(shí)，由于柯氏效 應(yīng)，質(zhì)量塊將受到沿檢測(cè)方向的柯氏力作用，致使可動(dòng)光柵相對(duì)于固定光柵發(fā)生位移，微弱