CN103620418B

CN103620418B - 校准装置、方法和应用

Info

Publication number: CN103620418B
Application number: CN201280031578.2A
Authority: CN
Inventors: 阿米特·拉尔; 萨梵尼·普拉特拉
Original assignee: Cornell University
Current assignee: Cornell University
Priority date: 2011-05-05
Filing date: 2012-05-03
Publication date: 2016-05-18
Anticipated expiration: 2032-05-03
Also published as: US9645167B2; US20140130570A1; WO2012151360A3; WO2012151360A2; CN103620418A

Abstract

一种惯性传感器校准方法和惯性传感器校准装置。通过一个或多个固定的和/或可移动的光栅（惯性传感器）生成一个或多个衍射图案，所述光栅（惯性传感器）被附接到基底的原子稳定的源照射并被成像器检测。光栅和/或惯性传感器具有设计参数值和各自的实际参数值，诸如运动或距离，所述实际参数值可以在超精确测量后被确定。这样的超精确测量可被用来校准光栅或惯性传感器。

Description

校准装置、方法和应用

相关技术说明

微型机械加速度计和陀螺仪彻底变革了商业世界中的运动感测。它们也已经极大地渗透到提供用于武器导航和士兵/汽车导航的军事需要中。然而，对于大多数应用而言，传感器必须用GPS数据补足，以便使完全基于惯性传感器的导航能力成为可能。这是因为传感器遭受器件与器件之间随时间变化的偏差以及比例因子变化之苦。而且，即使人们可以在封装后校准器件，但仍旧存在使初始校准无效的大比例因子和偏差漂移。这些漂移的发生是由于在封装和器件存放（anchor）期间的热蠕变、环境振动、热膨胀梯度、电噪声、冲击和许多其它变量。具体地，当传感器被置于以>15,000g的大加速度射出的武器中时，大多数惯性传感器出现很大的偏差漂移。由于大的冲击或温度周期变化，以及封装层的不同的热膨胀系数，小惯性传感器上的应力随时间推移而改变，改变了传感器的灵敏度和偏差。解决传感器漂移问题的一个方法是直接在传感器芯片上实现自校准技术。如果人们可以为每个传感器封装一个比率表，那么传感器可以按要求进行校准。例如，在传感器以很快的速度发射或者受到重复的温度周期变化影响之后，传感器可以在它们达到恒定速度或正常运行区域时进行校准。在步行导航的情况下，可以使用ZUPT（零速度更新）来减小偏差漂移的影响的短暂时间也可以被用来重新校准陀螺仪偏差，以实现长时间的、不用GPS的导航能力。配备有这样的能力，MEMS惯性传感器可以真正地彻底变革用于士兵和武器的、不用GPS的导航，减小由于武器未瞄准而造成的生命损失，并且在战争中提供一定程度的自信，该自信是通过了解一个人在任何时间所处的位置而获得的。不用GPS的导航对于诸如在GPS信号不能到达的地方（例如在建筑物内和在城市环境中的高大建筑物之间）进行导航这类的商业应用也是很重要的。

在惯性传感器领域中，被称为幻灯片插片转盘的技术在历史上被使用来为陀螺仪-罗盘找寻北方并且同时校准传感器。幻灯片插片转盘需要惯性传感器围绕轴旋转180度。通过切换陀螺仪敏感轴的方向，陀螺仪的灵敏度在180度改变到沿反方向的负值。典型地，偏压不随取向角度而改变，但它可以从两个角度读数中提取。偏差可被去除的程度取决于旋转角度可被控制的程度。如果角度误差是Δθ，则来自陀螺仪旋转速率测量的误差可能不小于偏差信号。

实践中使用的现有幻灯片插片转盘太大、太重，无法被考虑用于诸如个人导航和补充汽车中的GPS之类的应用。一种见解是，幻灯片插片转盘本身可以通过使用诸如MEMS驱动器本身的小型化运动技术来制作。

本发明人认识到能够提供对上述问题的解决方案的好处和优点，具体地，通过提供能够以十亿分之几（约50-1000ppb）的精度（例如，对于100mm的尺度而言，≤5nm的位置精度；对于360度旋转，<1弧秒精度的角位置知识）进行距离测量，导致原子稳定和校准的惯性传感器。使用本发明，预期能达到小于0.01mg（校准后）的加速度计偏差和小于0.005deg/hr（校准后）的陀螺仪偏差。如果在小体积（例如，几立方厘米或更小）并且消耗很少功率的封装中执行所有这些测量，将是非常有利的。

MEMS幻灯片插片转盘可以许多方式实施，因为MEMS制造技术可以使旋转平台或在芯片表面上以直线运动方式移动的平台小型化。例如热、静电或压电驱动器可用来移动平台。

Kohler等申请的美国专利No.7,066,004公开了使用可旋转的MEMS传感器的惯性测量单元。正如在该专利中公开的，由于潜在的尺寸、重量和成本缩减，在技术上希望把MEM（微机电的）惯性传感器结合到惯性传感器***中。然而，由于当前可提供的MEM惯性传感器的相对较差的偏差稳定性（例如，在50deg/hr的数量级），这不可能在精度要求高于现有MEM传感器可提供精度的传感器***中应用。差的偏差稳定性，也称为漂移，可能导致传感器输出误差，因此导致附接有MEM惯性传感器的移动体的计算位置或计算取向的误差。’004专利描述了偏差补偿的MEM惯性传感器、传感器***（惯性测量单元（IMU））和在动态运行条件下用于补偿传感器的偏差误差的方法，其中配备有用于电评估MEM传感器的装置。然而，’004专利中所公开的电装置本身就贡献了噪声，该噪声妨碍了对当前的和将来的应用而言足够的偏差减小或消除。

因此，虽然可以容易地把MEMS传感器制作在小型化旋转平台上，但非常关键的是高精度地测量平台的位置。传感器上的容性反馈可以提供位置数据，但往往由于基片热膨胀而造成电极放置和运动的误差。这些是一开始引起惯性传感器中比例因子漂移和偏差的同一误差源。精确测量距离和运动的一种方法是使用光学波阵面。光学波阵面可以从结构反射或穿过结构传输，导致可指示结构的运动位置的干涉场。例如，基片上的光栅将反射一个图案，该图案生成Sinc函数的衍射图案。转子芯片上的矩形反射光栅将导致在节点位于x=λz/g处的成像器上的Sinc（x）衍射图案，其中λ是波长，z是孔径与成像器平面之间的间隙，而g是光栅周期。例如，当z=2mm,λ=850nm,g=6μm时，第一衍射节点的在x=0.28mm的位置显示在成像平面上。可以在获知g的数值后，可估计z的数值。孔径芯片与成像器芯片之间的任何倾斜可以通过在成像器芯片处测量的衍射图案的非对称性进行量化。正如从以上的公式看到的，光学波长的任何改变也可能导致图案的改变。如果光学波长是固定的，则其它变量是可与波长稳定时相同程度的不确定性进行测量的***尺度。具有固定光学波长的原子跃迁可以稳定到1010之几。这样的原子跃迁被应用在原子钟中，原子钟通过激光器查询原子的超精细跃迁。现成的技术通过小型化的VCSEL与小型化的碱性金属蒸汽电池的组合来得到以芯片级原子钟形式的小型化的原子稳定激光源。

本发明人最近使用波长稳定性来衡量附接在照相机上的运动目标的位置。标题为“OpticalGridForHighPrecisionandHighResolutionMethodofWafer-ScaleNanofabrication（用于高精度和高分辨率的晶圆级纳米制造方法的光栅）”、序列号为13/062,832的共有美国专利申请，该专利申请的主题通过引用而整体结合在本文中，该专利申请公开了用于通过使用本发明人开发的纳米光尺成像***（NORIS）来感测纳米制造单元位置的晶圆级纳米计量***。关于NORIS的细节在Yoshimizu等人的论文“Nanometrologyopticalrulerimagingsystemusingdiffractionfromaquasiperiodicstructure,OPTICSEXPRESS,Vol.18,No.20（27September2010））”中描述，该论文的主题通过引用而整体结合在本文中。

利用NORIS和激光器的稳定性，我们可以用惯性传感器测量转子的位置。转子的角度和偏移对于惯性传感器特性很重要，特别是对于其中转子将旋转180度并且需要精确至弧秒以内的已知角度来实现ppm偏差和比例因子计算的陀螺仪罗盘来说很重要。为了将转子的角度测量到1弧秒，必须以<4.84nm的精度测量半径为1mm的转子的边缘位置。光栅平均位置的改变将转换为成像器上衍射图案位置的改变，扩散到几个像素。通过内插，角度测量值的有效分辨率可以非常高。人们可以用诸如多项式和三次样条函数那样的基函数来近似测量到的衍射图案。在（n+1）个数据点之间，函数y=f（x）与内插多项式y=P_n（x）之间的截断误差与第（n+1）阶的剩余多项式成比例：

| f (x) - P_{n} (x) | \leq \frac{M_{n + 1}}{(n + 1)!} | (x - x_{1}) (x - x_{2}) . . . (x - x_{n}) (x - x_{n + 1}) |, M_{n + 1} = \max_{x_{1} < x < x_{n + 1}} | f^{(n + 1)} (x) |

这里，M_n+1是f（x）的第n+1阶导数的最大幅值。如果数据点以恒定步长h等间隔布置，h是成像器中的像素尺寸，则多项式插值的局部误差e_n（x）=|f（x）–P_n（x）|被限定为:

| f (x) - P_{n} (x) | \leq \frac{M_{n + 1}}{4 (n + 1)} * h^{n + 1}

如果步长h随固定数量的数据点（n+1）变得更小，则误差减小。对于典型的衍射图案，诸如f（x）=Sinc（kx），在零点（kx=π）的第n阶导数是使用λ=850nm,g=2μm，z=2mm，使得第10阶多项式的峰值误差小于10^-10。从内插确定的位置误差可以用近似，即使用五阶多项式适配，误差<1nm。因此，为精确地确定转子的位置，只需要非常少的暴露像素。用来代表像素强度的数字位的数量也可以限制位置精度的分辨率。通过内插和随时间推移而对模拟-数字转换器的不同阈值进行平均，可以很大地减小该误差。

除了知道惯性传感器上所附接的转子的位置以外，也有可能光学读取惯性传感器。在光学上有许多进行运动光学读取的实施方案。这些方法包括需要精确对准的干涉计量技术。其它方法包括光栅，在采用光栅的情形下，波长是不稳定的。在惯性传感器的特定领域中，已经试图实现光学读取检测遮片。这些技术导致了以下认识：虽然可以制作传感器，但由于间隙中的漂移和没有被用来测量这些变化特性的独立标准，传感器的长期稳定性往往非常像其它小型化惯性传感器一样受到负面影响。

除了在平台上测量运动以外，也有可能测量通过内插由成像器测量的图案而成像的器件的尺度。在这种运行模式下，稳定的激光器件结构允许进行间隙、质量和取向的现场测量。这些测量可以被用在器件性能的先进分析建模中，该先进分析建模可以根据学习模型来预期灵敏度和偏差。因此，用内嵌计量技术对一些器件参数进行的长期稳定测量使传感器性能校正成为可能。

发明内容

本发明的一个实施例是惯性传感器校准方法。示例性方法包括以下步骤：提供微机电（MEM）器件，该微机电器件包括基底和至少一个被物理耦合到基底上的惯性传感器，该微机电器件具有设计参数值和在测量后的各自的实际参数值，该微机电器件被配置成在稳定的光源照射后生成衍射图案；提供稳定的光源，以光源与基底之间没有相对运动的方式将光源耦合到基底；把稳定的光源输出投射到惯性传感器上并由此生成衍射图案；用电子图像传感器和光场检测器之一检测衍射图案；以及使用所检测的衍射图案来测量各自的实际参数值，并确定设计参数值与各自的实际参数值之间的关系以校准惯性传感器。在这里描述的所有实施例中，术语“基准”是指内部固定的基准，诸如，例如静止的衍射光栅。按照各种示例性、非限制的方面，该方法可包括某些或所有以下的特性或特征：

-其中设计参数值和各自的实际参数值是一系列运动值和距离值中的至少一个；

-提供可相对于基底移动的平台，其中惯性传感器布置在平台上，并且惯性传感器包括生成衍射图案的检测质量（proofmass）；提供被布置在平台上、投射的光源输出之内的基准部件；提供被布置在基底上、投射的光源输出之内的基准部件；检测来自各个基准部件的衍射图案；以及用所检测的衍射图案来确定设计参数值与各自的实际参数值之间的关系，用于校准惯性传感器；

-通过波束调节部件传播来自稳定输出光源的输出；

-使用设计参数值与各自的实际参数值之间的关系来调节MEM器件的运行参数，以便减小设计参数值与各自的实际参数值之间的差值；

-使平台曲线运动；

-经由通过光子晶体、光-热、热、静电和压电驱动方式中的至少一种驱动的微机电***，使平台和惯性传感器中的至少一个移动；

-提供制动机构来停止和稳定可移动的平台；

-其中惯性传感器被可制造地集成在平台上。

本发明的一个实施例是惯性传感器校准装置。示例性的装置包括基底；固定附接到基底的稳定输出光源；耦合到基底上的至少一个惯性传感器，其具有设计参数值和各自的实际参数值；至少两个基准，其中至少一个基准被连接到至少一个惯性传感器，至少一个基准被连接到基底；和图像传感器和光场传感器中的至少一个，所述图像传感器和光场传感器中的至少一个被布置来接收来自至少两个基准的衍射输出源的光。按照各种示例性非限制的方面，装置可包括某些或所有以下的特性或特征：

-其中基准是衍射光栅。

本发明的一个实施例是惯性传感器校准装置。示例性的装置包括基底；固定附接到基底的稳定输出的光源；布置在基底上、源输出的光路上的平台，其中该平台相对于基底可移动；布置在平台上、源输出的光路上的、基于光栅加速度计的惯性传感器（即，包括检测质量的衍射光栅），其特征在于具有设计参数值和各自的实际参数值；布置在平台上、源输出的光路上的基准部件；布置在基底上、源输出的光路上的基准部件；以及图像传感器与光场传感器中的至少一个，图像传感器与光场传感器中的至少一个布置成接收来自基于光栅加速度计的惯性传感器的衍射输出源的光。按照各种示例性非限制的方面，装置可包括某些或所有以下的特性或特征：

-其中平台是MEM平台，以及基于光栅加速度计的惯性传感器被可制造地集成在平台上。

本发明的一个实施例是惯性传感器校准装置。示例性的装置包括基底；固定附接到基底的稳定输出的光源；布置在基底上、源输出的光路上的平台，其中平台相对于基底可移动；布置在平台上的惯性传感器和罗盘传感器中的至少一个，其中惯性传感器或罗盘传感器包括布置在源输出的光路上的基准，并且惯性传感器和/或罗盘传感器中的任一个的特征在于设计参数值和各自的实际参数值；布置在平台上、源输出的光路上的基准部件；布置在基底上、源输出的光路上的基准部件；以及至少一个图像传感器与光场传感器，所述至少一个图像传感器与光场传感器布置成接收来自衍射光栅、布置在平台上的基准部件、或布置在基底上的基准部件的衍射输出源的光。按照各种示例性非限制的方面，本实施例的装置和这里描述的其它装置实施例（在适当的场合）可包括某些或所有以下的特性或特征：

-其中稳定的输出光源是原子稳定源；

-其中平台是超声电动机的转子；

-其中平台是MEM平台；

-其中平台可曲线运动；

-还包括可旋转的平台和可旋转平台驱动部件；

-还包括平台制动机构；

-其中可旋转平台驱动部件是超声电动机；

-其中可旋转平台驱动部件是从包含静电驱动器、电磁驱动器、压电驱动器、形状记忆合金驱动器、基于相变的驱动器和热驱动器的组中选择的MEM驱动器超声电动机；

-其中惯性传感器是加速度计或陀螺仪；

-其中惯性传感器是MEM惯性传感器单元；

-其中基准部件是衍射光栅；

-其中图像传感器是CMOS图像传感器；

-其中图像传感器是光场图像传感器；

-其中图像传感器和光场传感器中的至少一个布置在基底后面；

-还包括耦合到基底和传感器上的电读取机构。

现在将参照详细说明和附图详细地阐述由本发明实施例提供的和所附权利要求中定义的这些和其它目的、优点和好处。

附图简要说明

实施例的目的、特征和优点应结合具体实施例的上下文理解，如下面所阐述的。具体实施例应结合附图的上下文理解，附图形成本公开内容的实质部分，其中：

图1：a）是显示按照本发明的说明性示例实施例的惯性传感器校准装置的透视图，该惯性传感器校准装置包括固定的惯性传感器和粘接或集成的基准，用于在2mm表面上以<1nm精度测量距离（ppm精确度）；b）是（a）的截面图；

图2：a）是显示按照本发明的说明性示例实施例的惯性传感器校准装置的透视图，该惯性传感器校准装置包括集成在可移动平台上的惯性传感器和在平台上及基底上的集成基准；b）是（a）的截面图；

图3：a）是显示按照本发明的说明性示例实施例的惯性传感器校准装置的透视图，该惯性传感器校准装置包括附接到可移动平台的惯性传感器、集成的基准和促进平台抖动的线连接；b）是（a）的截面图；

图4：a）是显示按照本发明的说明性示例实施例的惯性传感器校准装置的透视图，该惯性传感器校准装置与图3所示的惯性传感器校准装置类似，但在传输方面，成像器在基底后面（光学下游）；b）是（a）的截面图；

图5：是按照本发明的说明性示例方面的、基于可移动光栅的惯性传感器（‘光栅加速度计’）的示意图；

图6：是按照本发明的说明性示例方面的、图5所示实际光栅加速度计的放大图；

图7：a）和b）是按照本发明的说明性示例实施例的光栅加速度计的SEM图像，该光栅加速度计经Poly1转子集成到Poly2中MUMPS工艺流程中，显示了形成一组交替光栅指的一组可移动的指，而另一组光栅指附接到转子上。随着由转子运动赋予加速度，或者加速度被赋予整个基片，移动光栅与固定光栅之间的间隙也改变，进而改变了来自光栅的衍射图案。

图8：a）是按照本发明的说明性示例方面的、带有集成的光栅加速度计的超声驱动电动机的示意图，包括热驱动器，用来使夹持器（制动器）移动靠近旋转漂浮的电动机；（b）是线连接装置的光学显微照片；

图9：a）是按照本发明的说明性示例方面的、图8a所示的MEM转子上的固定光栅和移动光栅的近距离拍摄视图；（b,c）显示由于转子运动而改变的衍射图案；（d）是在10x2x3cm封装中用于光学读取加速度计的超声电动机、VCSEL和CMOS成像器的示意图；

图10：是按照本发明的说明性示例方面的、封装的自校准惯性传感器***的示意性透视图，该自校准惯性传感器***集成在真空封装中；以及

图11：是图10所示的惯性传感器***的超声电动机的示意图。

具体实施方式

图1中显示了示例性惯性传感器校准装置100-1。装置100-1的主要部件包括基底10；固定附接到基底上的稳定输出的光源12（见图1b），从而所述光源与基底之间没有相对运动；被耦合到基底上的至少一个惯性传感器18（显示为3个），其特征在于设计参数值和各自的实际参数值；至少两个基准16（这里显示4个），所述基准16呈固定的衍射光栅形式，其中至少一个衍射光栅16-1被连接到至少一个惯性传感器18，至少一个衍射光栅16被连接到（这里显示为被集成到）基底10；以及布置在惯性传感器上方的成像器14（图像传感器或者光场传感器），以便接收来自至少两个衍射光栅的衍射输出源的光。设计参数值和各自的实际参数值可以是一系列运动值或距离值。

本文描述的这个和其他示例实施例借用了‘832专利和Yoshimizuetal.（id）中描述的、来自NORIS的某些结构部件和运行方法。正如在NORIS中，稳定输出的光源12可以是通过原子迁移来稳定的激光器，因此它产生常数性质的输出；即，照射图案提供不随时间、温度、或冲击和振动而改变的常数性质的距离。当源体积、功率和复杂性增加时，稳定光源可以通过波长稳定性和/或精确度的提高而以许多方式完成。例如，离子阱光学标准实现低至10^-17的波长不确定性，但典型地是小空间的尺寸。另一方面，简单的（未稳定化）激光器具有随温度、注入电流和张力而变化的波长，并且极大地依赖于制造过程。这种源的波长不确定性约为10^-3。传统的大尺度原子光学波长基准使用在多原子分子（I₂,CH₄,C₂H₂等等）中的共振跃迁或者使用碱性或碱土金属原子或离子中的电子跃迁。分子跃迁可以具有非常窄的光学线宽，导致良好的稳定性和总体不确定性，但因为跃迁非常弱，它本身不能很好地小型化。碱土金属原子形成用于最大规模现代光学晶格时钟的基础，但需要相当高的炉温（几百摄氏度）来达到足够的原子密度。如这里具体化的，对于要求同时满足对光源的尺寸、功率和波长稳定性的约束条件的微尺寸集成装置，在Rb中的、在D2跃迁（波长780nm；自然线宽6MHz）上或从5s_1/2状态到5D_2/3的二光子跃迁（波长778nm；自然线宽<500kHz）上的饱和吸收谱可以提供有利的源。例如，二光子跃迁被广泛地当作光学基准频率来研究，它可以为纳米校准以及为如在本文中成为可能的小型化光学计量***提供波长稳定性。

虽然原子稳定的激光器的小型化仍在继续，但晶圆级原子钟（CSAC）形式的1cc***的例子是市场上可买到的。该***包含诸如VCSEL那样的光源，光源投射在铷或铯蒸汽的微型机械气光电池上。小型化的电池用绳悬挂以热隔离它，用于低功率加热而在电池中产生金属蒸汽。

孔径或其它光学部件（未示出）可被用来调节来自源12的输出，从而它照射所有的预期结构而生成想要的衍射图案。

本文描述的这个和其它示例性的校准装置提供纳米和亚纳米级校准（十亿分之几），它通过用光源输出照射惯性传感器的衍射光栅和基底上的衍射光栅生成衍射图案，可在检测后（见图9b,c）分析该衍射图案，例如，如以上描述的，以便测量实际的参数值和确定设计参数值与各自的实际参数值之间的关系，用于校准惯性传感器。

在图2中显示了另一种惯性传感器校准装置100-2。该装置包括基底10、固定附接到基底的稳定输出的光源12；可相对于基底移动的平台22；布置在平台上、源12输出的光路（未示出）上的基于光栅加速度计的惯性传感器24，其特征为设计参数值和各自的实际参数值；布置在平台上、源输出的光路上的基准部件16-2；布置在基底上、源输出的光路上的基准部件16；以及成像器14，该成像器布置成接收来自光栅加速度计24、布置在平台上的基准部件16-2、布置在基底上的基准部件16的衍射输出源的光。平台22可以是MEM平台，基于光栅加速度计的惯性传感器24可制造集成在平台上，如图7a,b所示。

图5显示了这里提到的光栅加速度计24的一个示意性例子。光栅加速度计24包括具有金涂层的固定光栅结构502，检测质量（移动质量）508，在检测质量上的反射金光栅506（如图所示，506表示在检测质量和固定质量上的反射金光栅），以及弹簧504。图6是图5所示的实际光栅加速度计的放大图，如图所示，其特征在于，质量=4.38E-11kg，弹簧常数=0.17N/m，谐振频率为10.151kHz，加速度=mrω²（径向），以及位移灵敏度=2.401nm/g。图7a,b是显示光栅加速度计在Poly1转子上的Poly2中的SEM图像，该光栅加速度计集成在MUMPS工艺流程中，显示形成一组交替光栅指的一组可移动指，另一组附接到转子上。当由转子运动赋予加速度，或者将加速度赋予整个基片时，光栅与底部转子之间的间隙改变，进而修改从光栅反射或传输的衍射图案。

图3，8和9中显示和/或参照这些图显示了另一种惯性传感器校准装置100-3。装置包括基底10；固定附接到基底的稳定输出的光源12；布置在基底上、源输出的光路上的平台22，其中平台相对于基底可移动，惯性传感器或罗盘传感器24-1布置在平台上，其中惯性传感器或罗盘传感器包括布置在源输出的光路上的基准部件16-3，进一步地，惯性传感器或罗盘传感器的特征在于设计参数值和各自的实际参数值；布置在平台上、源输出的光路上的基准部件16-2；布置在基底上、源输出的光路上的基准部件16；以及至少一个图像传感器或光场传感器（14），所述至少一个图像传感器或光场传感器（14）布置成接收来自布置在传感器上的基准部件16-3、布置在平台上的基准部件16-2和布置在基底上的基准部件16的衍射输出源的光。线连接32附接在传感器24-1与基底10之间，从而在具体化的方法和装置的主要光学校准技术以外，还允许平台抖动以及电容读取。正如以上描述的，设计参数值和各自的实际参数值有利地是一系列运动值或距离值。正如以上指出的，基准有利地是固定的衍射光栅。

图8a示意地显示在MUMPS工艺中实施的、惯性传感器校准平台100-3的总体概念。平台22是超声驱动的电动机的转子（厚度为2μm，直径为980μm）。被粘接或焊接到电动机的块状PZT以1-10V_pp的幅度、接近10kHz到10MHz的轮毂定子谐振频率被激励，其中某些是回音壁模式。这些模式具有较低的空气阻尼，因此，在空气中观察到有大的运动幅度。旋转模式把剪切力耦合到定子与转子之间的空气，造成推动转子的拖拽力。这个电动机通过声流把能量从定子经空气-流体轴承耦合到转子。我们通过把金覆盖物附加到定子上，将间隙编译为θ的函数，从而优化声音耦合。金中的内嵌应力导致定子和转子的弯曲，引起定子-转子间隙的周期性变化，g（θ）=a+b*sin（nθ），其中对于n=2，a是8.6μm，b是5.8μm。定子的弯曲允许催化粘滞力图案的生成。图8b中所示的热和静电驱动器可以使夹持器（制动机构）82移向旋转的转子，以便在传感器运行期间把它保持在适当的位置，或控制它的旋转方向和旋转速率（对其更详细的描述可以在Piratla等人的论文”NANOGAPULTRASONICACTUATORFORNON-CONTACTCONTROLOFLEVITATEDINERTIALSENSORROTOR”中找到（待公布；该论文的主题通过引用而整体结合在本文中））。

转子22包括呈衍射光栅形式的多个固定基准16-2，以及呈光栅加速度计形式的集成的MEM惯性传感单元24-1。基底10包括也呈衍射光栅的形式的多个固定基准16。为了简明起见还参照图9a，对底上的固定衍射光栅基准16进行取向，以使得当布置在平台上的相应的固定衍射光栅基准16-2转过基底基准时，相对光栅取向是垂直或者是水平的。光栅加速度计24-1也具有互相垂直的取向。虽然如图5,6,7所示的光栅加速度计是使用PolyMUMPS工艺制作的传统制造的传感器，并且被集成在平台上，但惯性传感器单元可以是可从各种惯性传感器制造商那里买到的单元。

在本领域，偏差消除仍旧是有挑战性的。例如，Kionix3-轴加速度计KXM52，即使在温度和湿度处理后，仍呈现约～0.5%的比例因子和偏差漂移，对应于～5,000ppm的漂移。消除偏差的一个方法是在传感器封装本身中主动校准偏差。具有集成的惯性传感器的微尺度稳定旋转平台通过施加已知的加速度和旋转速率来保持现场陀螺仪和加速度计传感器校准的执行承诺。通过用在已知角度的传感器来测量信号，可以测量偏差。然而，对于惯性传感器比例因子的适当校准，平台的旋转不能有会使得传感器信号复杂化的次要特征。例如，旋转平台需要平滑地旋转，而没有驱动器伪像（actuatorartifacts），诸如颤动。因此，没有任何物理接触地旋转传感器平台是关键的。这与在校准期间悬浮转子等效。

存在许多以前用于悬浮旋转平台的原理验证。显示了磁悬浮使用抗磁性转子。在磁性情况下，典型地需要大电流来生成飘浮所需的足够的磁场梯度。静电悬浮在实施陀螺仪本身时实现，但为了达到漂浮和真空运行，需要相对较高的电压和真空度。电磁力的替换例是使用浮力来悬浮旋转平台。悬浮运行的替换例是使用由声音和动态力引起的粘滞拖拽力。通过在其超声谐振模式下驱动板，最终得到的声流和声辐射力可被用来使转子漂浮。

在被650nm激光器VCSEL二极管（ThorlabsL650P007）的照射后，记录衍射图案并进行数字分析。来自光栅16和16-2的衍射图案彼此正交，它们可被用来测量和校准光栅加速度计的设计运动和实际运动。测量加速度计光栅响应的改变，作为旋转速率的函数。

光栅加速度计在具有内嵌自校准光栅的转子上实施。加速度计包含实施成MUMPS金的一组光栅反射指，它们由于弹簧的加速度而周向运动。在移动指的中部固定有金反射线。加速度计提供由CMOS成像器（图9d）记录的衍射图案（图9b,c），从加速度计和从固定光栅反射的光之间有干涉。

图4显示的装置100-4类似于图3所示的装置100-3，但是其不同之处在于：源输出照射光栅，光学场通过结构传输。在相对侧的成像器平面处，在基底后方或下方测量衍射图案。在这种情形下，在传感器的后面创建空腔，以便光传输通过。可以使用诸如DRIE（深反应离子刻蚀）或各向异性湿刻蚀那样的工艺而在平面硅基片上创建这样的空腔。

图10和11显示了这里具体化的、封装的自校准惯性传感器***的一个实施例。这个***的总体尺寸可以小到2.5x2.5x4mm至约1x1x1cm，包括稳定激光源、成像器、超声电动机（图11）、惯性传感器和基准、基底，以及电子装置。这样的装置可结合到便携式电子装置中，诸如，例如蜂窝电话和GPS接收机。对于10mW的低总功率水平到几百毫瓦的更高的功率水平，成像器、激光器和传感器芯片的功率消耗将在仅仅几到几十毫瓦的范围中。封装的自校准部分包括激光器和成像器，封装的自校准部分可根据需要被周期地关断和使用。在这种情形下，可旋转的平台可以通过闭式制动器保持在适当的地方。如果惯性传感器正在被用于光学询问（interrogation），则激光器将不关断。稳定激光器芯片通过孔口发射光束，用于波束调节。孔口位于成像器内。典型地，成像器中心不配备孔，但可以定制设计，以使得它们即使在中心创建开孔后仍然运行。传统上，接入被安排成矩形阵列的像素的线放置在二维矩形网格中。然而，为了存在孔口，必须围绕孔口放置线。为了使这种情形发生，可以进行成像器的专门布局，以使接入像素的线形成在孔口周围。替换地，一组成像器可串接，以创建有效的孔口。另一个方面，矩形成像器可放置在封装的侧面上或在传感器平台的相反侧上，传感器平台具有孔口来传输光。从成像器芯片引出的线或线连接提供来自成像器的功率和信息线。光束入射在传感器/转子芯片上，光从该传感器/转子芯片反射出去，并且投射到成像器上。传感器平台被显示为带有集成光栅惯性传感器的集成超声电动机。PZT平台被显示为带有两条用于电驱动的线。PZT平台和传感器平台的尺寸可以在1mmx1mm到3mmx3mm这一范围内。这个尺寸的成像器芯片可以结合许多像素，因为对于成像器技术而言，像素尺寸往往是1x1um²到10x10um²。

如果允许，包括出版物、专利申请和这里引述的专利在内的所有参考资料通过引用而整体结合在本文中，如同单独地和具体地表明每份参考资料通过引用而被整体结合在本文中和在本文中整体阐述。

除非本文另有说明或与上下文明显冲突，术语“一”和“一个”和“所述”以及在描述本发明的上下文中（特别是在以下的权利要求的上下文中）类似的引用应被视为覆盖单数和复数。除非另外指出，术语“包括”、“具有”和“包含”应被视为端部开放的术语（即，意思是“包括，但不是限于”）。术语“连接到”应被视为部分或整个被包括在内、附接到、或结合在一起，即使有某些东西介入其间。

除非本文另外指出，这里对数值范围的引述仅仅打算用作单独地引用在所述范围内的每个单独数值的速记方法，每个单独的数值被结合用到技术说明书中，就好像它在这里被单独引述一样。

除非本文另外指明或与上下文明显冲突，这里描述的所有方法可以任何适当的次序执行。除非另外要求保护，这里提供的任何和所有的例子或示例性语言（例如，“诸如”）仅为了更好地说明本发明的实施例，而不是对于本发明的范围进行限制。

说明书中的语言不应被认为指示任何未要求保护的单元对本发明的实施是必要的。

对本领域技术人员显而易见的是，可以做出各种修改方案和变形而不背离本发明的精神和范围。不打算把本发明局限于所公开的具体形式，与之相反，本发明意在覆盖如所附权利要求中规定的、落入本发明的精神和范围的所有修改方案、替换结构和等价物。因此，本发明打算覆盖本发明的修改方案和变形，只要它们落入所附权利要求及其等价物的范围。

Claims

1.一种惯性传感器校准方法，包括：

(a)提供微机电(MEM)器件，该微机电器件包括：

基底；和

物理耦合到所述基底上的至少一个惯性传感器，所述至少一个惯性传感器具有设计参数值和在测量后的各自的实际参数值，所述至少一个惯性传感器被配置成在稳定的光源照射后生成衍射图案；

(b)提供稳定的光源，所述光源以其与所述基底之间没有相对运动的方式被耦合到所述基底；

(c)把稳定的光源输出投射到所述惯性传感器上并由此生成衍射图案；

(d)用电子图像传感器和光场检测器中的一个检测衍射图案；以及

(e)使用检测到的衍射图案来测量所述各自的实际参数值，并确定所述设计参数值与各自的实际参数值之间的关系，用于校准所述惯性传感器。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，其中所述设计参数值和各自的实际参数值是一系列运动值和距离值中的至少一个。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：

提供可相对于所述基底移动的平台，其中所述惯性传感器布置在所述平台上，并且所述惯性传感器包括生成衍射图案的检测质量；

提供布置在所述平台上、光源输出的光路上的第一基准部件；

提供布置在基底上、光源输出的光路上的第二基准部件；

检测来自所述第一基准部件和第二基准部件中每一个部件的衍射图案；以及

使用所检测的衍射图案来确定所述设计参数值与各自的实际参数值之间的关系，用于校准所述惯性传感器。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括通过波束调节部件传播来自所述稳定输出的光源的输出的步骤。

5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，还包括使用所述设计参数值与各自的实际参数值之间的关系来调节所述微机电器件的运行参数，以便减小所述设计参数值与各自的实际参数值之间差值的步骤。

6.如权利要求3所述的方法，其特征在于，还包括使所述平台进行曲线运动的步骤。

7.如权利要求3所述的方法，其特征在于，还包括经由通过光子晶体、光-热、热、静电和压电驱动中的至少一项驱动的微机电***来移动所述平台和惯性传感器中的至少一个的步骤。

8.如权利要求3所述的方法，其特征在于，还包括提供制动机构来停止和稳定所述可移动的平台的步骤。

9.如权利要求3所述的方法，其特征在于，其中所述惯性传感器被可制造地集成在所述平台上。

10.一种传感器校准装置，其特征在于，包括：

(a)基底；

(b)固定附接到所述基底的稳定输出的光源；

(c)布置在所述基底上、光源输出的光路上的平台，其中所述平台相对于所述基底可移动；

(d)布置在所述平台上的惯性传感器和罗盘传感器中的至少一个；

(e)布置在所述惯性传感器和罗盘传感器中的至少一个上、光源输出的光路上的第一基准部件，其中所述惯性传感器和罗盘传感器中的至少一个具有设计参数值和各自的实际参数值；

(f)布置在所述平台上、光源输出的光路上的第二基准部件；

(g)布置在所述基底上、光源输出的光路上的第三基准部件；

(h)图像传感器与光场传感器中的至少一个，所述图像传感器与光场传感器中的至少一个布置成接收来自所述第一基准部件、所述第二基准部件、所述第三基准部件的衍射输出源的光。

11.如权利要求10所述的装置，其特征在于，其中所述设计参数值和各自的实际参数值是一系列运动值和距离值中的至少一个。

12.如权利要求10所述的装置，其特征在于，其中所述稳定输出的光源是原子稳定源。

13.如权利要求10所述的装置，其特征在于，其中所述平台是超声电动机的转子。

14.如权利要求10所述的装置，其特征在于，其中所述平台是微机电平台。

15.如权利要求10所述的装置，其特征在于，其中所述平台可进行曲线运动。

16.如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述平台为可旋转平台，所述装置还包括可旋转平台驱动部件。

17.如权利要求16所述的装置，其特征在于，还包括平台制动机构。

18.如权利要求16所述的装置，其特征在于，其中所述可旋转平台驱动部件是超声电动机。

19.如权利要求16所述的装置，其特征在于，其中所述可旋转平台驱动部件是从包含静电驱动器、电磁驱动器、压电驱动器、形状记忆合金驱动器、基于相变的驱动器和热驱动器的组中选择的微机电驱动器。

20.如权利要求10所述的装置，其特征在于，其中所述惯性传感器是加速度计和陀螺仪中的一个。

21.如权利要求10所述的装置，其特征在于，其中所述惯性传感器是微机电惯性传感单元。

22.如权利要求10所述的装置，其特征在于，其中所述第一基准部件、第二基准部件和第三基准部件是衍射光栅。

23.如权利要求10所述的装置，其特征在于，其中所述图像传感器是CMOS图像传感器。

24.如权利要求10所述的装置，其特征在于，其中所述图像传感器是光场图像传感器。

25.如权利要求10所述的装置，其特征在于，其中所述图像传感器和光场传感器中的至少一个布置在所述基底的后面。

26.一种惯性传感器校准装置，其特征在于，包括：

(a)基底；

(b)固定附接到所述基底的稳定输出的光源；

(d)布置在所述平台上、光源输出的光路上的基于光栅加速度计的惯性传感器，所述基于光栅加速度计的惯性传感器具有设计参数值和各自的实际参数值；

(e)布置在所述平台上、光源输出的光路上的第一基准部件；

(f)布置在所述基底上、光源输出的光路上的第二基准部件；以及

(g)图像传感器和光场传感器中的至少一个，所述图像传感器和光场传感器中的至少一个布置成接收来自所述基于光栅加速度计的惯性传感器、所述第一基准部件、所述第二基准部件的衍射输出源的光。

27.如权利要求26所述的装置，其特征在于，其中所述设计参数值和各自的实际参数值是一系列运动值和距离值中的至少一个。

28.如权利要求26所述的装置，其特征在于，其中所述平台是微机电平台，所述基于光栅加速度计的惯性传感器被可制造地集成在所述平台上。

29.一种惯性传感器校准装置，其特征在于，包括：

(a)基底；

(b)固定附接到所述基底的稳定输出的光源；

(c)耦合到所述基底的至少一个惯性传感器，所述至少一个惯性传感器具有设计参数值和各自的实际参数值；

(d)至少两个衍射光栅，其中至少一个衍射光栅被连接到所述至少一个惯性传感器，至少一个衍射光栅被连接到所述基底；以及

(e)图像传感器与光场传感器中的至少一个，所述图像传感器与光场传感器中的至少一个布置成接收来自所述至少两个衍射光栅的衍射输出源的光。

30.如权利要求29所述的装置，其特征在于，其中所述设计参数值和各自的实际参数值是一系列运动值和距离值中的至少一个。