[实用新型]一种基于纳米光栅检测的新型陀螺仪

说明书

技术领域

本发明涉及微惯性导航技术相关领域，具体而言，涉及一种基于纳米光栅的微机械陀螺仪。 

背景技术

目前，微机械（MEMS）陀螺仪常用的检测方式是电容式和压阻式，压阻式是基于高掺杂硅的压阻效应原理实现的，高掺杂硅形成的压敏器件对温度有较强的依赖性，其由压敏器件组成的电桥检测电路也会因温度变化引起灵敏度漂移；电容式精度的提高是利用增大电容面积，由于器件的微小型化，其精度因有效电容面积的缩小而难以提高。 

微机械陀螺仪对角速度的测量是靠检测装置实现力电转换来完成的，主要手段是柯氏力引起的微位移检测，其检测灵敏度、分辨率是十分重要的，由于陀螺仪微型化和集成化，检测的敏感区域随之减小，故而使检测的灵敏度、分辨率等指标已达到敏感区域检测的极限状态，从而限制了陀螺仪检测精度的进一步提高，很难满足现代军事、民用装备的需要。 

应用光学方法测量微位移,可使微机械传感器的灵敏度摆脱传统电容边缘效应、极板面积等的限制,具有光学精度，使微机械传感器精度得到了很大的提高。已有技术将纳米光栅应用于加速度计，指出其灵敏度理论上可达到10^-9g，敏感部件位移测量精度可达到12fm/√Hz。但是，由于MEMS陀螺仪主要基于微弱柯氏力的检测，需要在非敏感方向谐振以实现有角速度输入时，由于柯氏力的作用在敏感方向产生位移，而已有技术只是应用纳米光栅对两层分光栅之间的间距和光栅狭缝宽度敏感的原理，没有创造出纳米光栅的非敏感方向，不具备应用于陀螺仪的基本条件。目前，将纳米光栅检测应用于微机械陀螺未见报道。 

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。 

有鉴于此，本发明需要提供微机械陀螺仪，该微机械陀螺仪为一种基于纳米光栅检测的新型陀螺仪，采用对称式差分耦合结构抑制纳米光栅谐振噪声，至少可以提高微机械陀螺仪的检测灵敏度。 

本发明提供一种基于纳米光栅检测的新型陀螺仪，包括：键合基板，键合基板中心布置有固定纳米光栅；垫衬框体，垫衬框体设在键合基板上方并与键合基 板相连接；支撑框体，支撑框体设在垫衬框体的上方并与垫衬框体相连接，且支撑框体设有固定梳齿；驱动悬臂梁，驱动悬臂梁与支撑框体和可动框体相连接，用于支撑可动框体；可动框体，可动框体由驱动悬臂梁支撑于支撑框体中心，并设有可动梳齿，在固定梳齿驱动下可沿驱动方向振动；检测悬臂梁，检测悬臂梁与可动框体和质量块相连接，用于支撑微陀螺仪质量块； 

质量块，质量块通过检测悬臂梁固定在可动框体中间，随可动框体沿驱动方向振动，并相对于可动框体沿检测方向振动，且质量块中心布置可动纳米光栅； 

激光光源，激光光源位于键合基板中心正下方，用于为纳米光栅敏感结构提供光源； 

光电转换器件，光电转换器件位于质量块中心正上方，用于检测透过纳米光栅的光强，并将光强变化转换为电信号； 

信号检测模块，信号检测模块最早将电信号转化为角速度信号。 

根据本发明实施例的微机械陀螺仪，采用整体对称结构设计，结构设计紧凑合理，既能充分利用空间，又能抑制驱动对检测的影响，适合器件的自解耦和微型化。角速度的输入将导致质量块在水平方向发生位移，键合基板上布置的固定纳米光栅和质量块上布置的可动纳米光栅共同组成了位移敏感部件，质量块带动可动纳米光栅发生位移，导致栅距发生变化从而导致透射光强发生剧烈变化，该变化可以将微机械陀螺仪的灵敏度提高1-2个数量级。除以上特点外，该微陀螺应用差分耦合的检测输出方式消除可动纳米光栅沿非敏感方向谐振导致的输出噪声，进一步提高灵敏度与信噪比，且检测电路设计简单、可靠性好、抗电磁干扰能力强。 

根据本发明的一个实施例，所述的固定纳米光栅包括多个单光栅，沿水平方向均匀间隔排列，光栅的周期和厚度小于激光光波波长，且固定纳米光栅上表面与键合基板上表面相平。 

根据本发明的一个实施例，所述的垫衬框体为矩形中空框体，其厚度小于激光光波波长，下表面与键合基板键和连接并且共同形成矩形凹槽。 

根据本发明的一个实施例，所述的固定梳齿和可动梳齿位于可动框体上下方向，分别与支撑框体和可动框体相连接，在静电力的作用下可驱动可动框体上下振动。 

根据本发明的一个实施例，所述的驱动悬臂梁位于可动框体左右两侧，检测悬臂梁位于质量块的上下两侧，为隔离可动框体和质量块在竖直方向的位移，驱动悬臂梁和检测悬臂梁的厚度均大于它们的宽度。