[发明专利]一种集成式六自由度微机械量子陀螺仪

说明书

本发明提出了一种集成式六自由度微机械量子陀螺仪，包括机械单元和电路控制单元；机械单元包括导向支撑、质量块和两个电极端盖，质量块采用中心设有圆柱形通孔的圆饼状介质材料结构，其两个端面上分别设置有六个栅极式矩形力敏电容；电路控制单元包括数字驱动模块、正弦波发生器、电路解析模块、测量模块和计算机模块，该电路控制单元集成在质量块的一个端面上。本发明不需要磁芯结构参与测量章动角，且避免了现有技术分立式结构在装配过程中容易产生误差的缺陷，显著提高了陀螺仪稳定性。

技术领域

本发明属于惯性技术领域，涉及一种微机械陀螺仪，具体涉及一种具有六自由度的微机械量子陀螺仪，可用于能源、惯性导航、无人驾驶、雷达侦测、地质勘探、水下探测、精密仪器仪表、3D数据传输等领域。

背景技术

陀螺仪是用高速回转体的动量矩敏感壳体相对惯性空间绕正交于自转轴的一个或两个轴的角运动检测装置。

机械陀螺仪是指采用自转转子转动或载体的振动产生陀螺力矩来测量角运动的陀螺仪，包括刚体转动陀螺仪、振动陀螺仪和半球谐振陀螺仪。微机械陀螺仪是利用科里奥利力的变化产生的微小振动位移来检测角运动变化的检测装置。它不需要机械转子，属于微电子机械系统，可将机械构件、光学系统、驱动部件、电控系统集成为一个整体单元的微型系统。微机械陀螺仪按照驱动轴数分类，可分为单轴微机械陀螺仪和双轴微机械陀螺仪，按照驱动方式分类，可分为静电式微机械陀螺仪、电磁式微机械陀螺仪和压电式微机械陀螺仪，按照敏感结构的自由度数分类，可分为四自由度微机械陀螺仪和六自由度微机械陀螺仪。

现有的六自由度微机械陀螺仪采用组合方式，一种是由GPS信号单元和IMU惯性测量单元组成系统，其中IMU惯性测量单元包括三个微机械陀螺、三个加速度计和三个磁力计；一种是采用分立式双自由度驱动的微机械陀螺仪，再配合磁芯结构组成系统，该系统属于自主式惯性系统，无需依赖GPS。

微机械量子陀螺仪是指利用约瑟夫森效应制造的一种微机械陀螺仪。约瑟夫森效应从广义上讲，是指具有相同性质的超流体分子(不同的行为通常在耦合弱力量子系统之间发生)在两个由薄绝缘层隔开的超导体之间流动，当两个超流体(无摩擦流体)通过耦合弱力键链接并且仅在一侧施加压力时，流体会从一侧振动到另一侧。

例如，申请公布号为CN114383591A，名称为“一种双轴石英微机械陀螺仪”的专利申请，公开了一种由两个单轴驱动模块正交垂直同轴装配组合成的音叉式四自由度微机械陀螺仪，该发明包括第一陀螺法兰、第一减振体、第一石英微机械表芯、第二陀螺法兰、第二减振体和第二石英微机械表芯，实现分别对第一石英微机表芯和第二石英微机表芯的轴向减振效果，提高减振性能，与磁芯结构组合，可以实现六自由度测量，能够解决有限动态跟踪技术问题。由于音叉式微机械陀螺仪原理上不能测量章动角，所以必须与磁芯结构组合，又由于其分立式的安装结构存在装配同轴误差，陀螺仪稳定性不足。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷，提出了一种集成式六自由度微机械量子陀螺仪，用于提高陀螺仪稳定性。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案包括机械单元和电路控制单元，其特征在于：

所述机械单元，包括导向支撑、质量块和两个电极端盖；所述导向支撑，采用内壁设置有径向凸起的空心圆柱形结构；所述质量块，采用中心设有通孔的圆饼状介质材料结构，其两个端面上分别设置有六个栅极式矩形力敏电容；所述电极端盖，采用一个端面设置有柱状凸起，另一个端面设置有六个电极端子的圆柱状结构；所述质量块嵌套在导向支撑径向凸起形成的空间位置，所述两个电极端盖，其设置有柱状凸起的端面相对，嵌套在导向支撑两个端面位置的内腔中；

所述电路控制单元，包括数字驱动模块、正弦波发生器、电路解析模块、测量模块和计算机模块，该电路控制单元设置在质量块的一个端面上，其中：