CN105403210B - 一种微小型单轴金刚石陀螺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种微小型单轴金刚石陀螺，以内嵌负价氮原子‑空位(NV‑)色心的金刚石材料敏感载体角速度，以低功耗LED灯取代激光器提供极化和检测光，微波天线镀于金刚石表面以提供NV‑色心能级操控的微波和射频信号。本发明结构简单紧凑，可有效提高陀螺仪的稳定度并降低生产成本，同时低功耗器件的应用也降低了使用成本，在需求小体积、低成本、低功耗、高稳定度陀螺仪的惯性导航和测姿***领域具有很大的应用潜力。

Description

一种微小型单轴金刚石陀螺
技术领域
本发明涉及陀螺的技术领域，具体涉及一种微小型单轴金刚石陀螺，可应用于需求小体积、低成本、低功耗、高稳定度陀螺仪的各类导航和测姿***。
背景技术
陀螺仪是一种用来测量载体转动信息的装置，是惯性导航***中重要的传感器。随着微加工技术的不断进步，以MEMS陀螺为代表的一类低成本陀螺仪得到了广泛应用，但是MEMS陀螺仪长期漂移率高。因此急需低成本、小体积、高稳定度的陀螺仪。
内嵌NV-色心的金刚石材料具有固体材料的稳定性，其单位体积内的敏感元NV-色心浓度高，可采用微波和光学手段对NV-能级进行操控和检测。利用该材料作为转动信号的敏感源，可在保证测量精度的同时有效缩小陀螺仪的体积，并提高陀螺仪的稳定度。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提出一种微小型单轴金刚石陀螺，具有小体积、低成本、低功耗、高稳定度的特点。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：一种微小型单轴金刚石陀螺，包括陀螺仪外壳，LED光源，第一平凸透镜，第二平凸透镜，第一环形永磁铁，第二环形永磁铁，金刚石，第一光阑，第二光阑，滤波片，光电探测器，所有器件均共轴集成在陀螺仪外壳内部；其中：
所述的LED光源由LED供电接口供电，可发出波长在510nm～550nm之间的绿光。第一平凸透镜的平面紧邻LED光源，可将绿光会聚成一束平行光。第一环形永磁铁紧邻第一平凸透镜的凸面一侧安装，第一环形永磁铁内径大于第一平凸透镜的凸面直径。第一光阑一侧紧邻第一环形永磁铁，另一侧与金刚石紧密贴合。金刚石位于第一光阑和第二光阑中间，第二光阑一侧与金刚石紧密贴合，另一侧紧邻第二环形永磁铁。第二平凸透镜凸面紧邻第二环形永磁铁，第二平凸透镜凸面直径小于第二环形永磁铁内径。滤波片紧邻第二平凸透镜平面一侧，可滤除510nm～550nm的绿光，透过630nm-800nm的荧光。光电探测器紧邻滤波片，用于探测630nm-800nm的荧光，通过光电探测器电气接口可以为光电探测器供电并且读出光电探测器探测的信号。
所述的金刚石内部含有NV-色心系综，是陀螺仪的核心敏感元件，沿金刚石晶胞(111)的轴方向切割，金刚石两侧表面的中心位置对称地镀有圆形的第一微波天线和第二微波天线。
所述的第一光阑的小孔直径应小于第一微波天线的直径，在第一光阑靠近金刚石一侧的表面上、与第一微波天线开口两侧的对应位置处镀有第一微波馈送电极和第二微波馈送电极，第一微波馈送电极和第二微波馈送电极通过第一光阑内部引线分别连接至第一微波馈送引脚和第二微波馈送引脚。第一光阑与金刚石紧密贴合，便于微波或射频信号通过第一微波馈送引脚和第二微波馈送引脚输入到微波天线。第二光阑与第一光阑结构相同，并且与金刚石紧密贴合，便于微波或射频信号通过第三微波馈送引脚输入到第二微波天线。
所述的第一环形永磁铁和第二环形永磁铁之间产生的静磁场与金刚石晶胞(111)的轴平行。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明使用绿光LED代替激光，可有效降低陀螺仪的功耗和成本，并且缩小陀螺仪的体积；
(2)本发明将环形微波天线镀于金刚石表面，可有效提高天线的馈送效率和微波射频场的均匀性，从而提高陀螺仪的灵敏度；
(3)本发明结构简单紧凑，可有效提高陀螺仪的稳定度，同时缩小陀螺仪的体积。
附图说明
图1为本发明的结构图；
图2为本发明的微波天线正视图；
图3为本发明的微波天线侧视图；
图4为本发明的光阑结构图；
图5为金刚石NV色心晶胞结构图；
附图标记列示如下：1-LED光源，2-第一平凸镜，3-第一环形永磁铁，4-第一光阑，5-金刚石，6-第二光阑，7-第二环形永磁铁，8-第二平凸透镜，9-滤波片，10-光电探测器，11-陀螺仪外壳，12-LED供电接口，13-第一微波馈送引脚，14-第二微波馈送引脚，15-第三微波馈送引脚，16-光电探测器电气接口，17-第一微波天线，18-第二微波天线，19-小孔，20-第一微波馈送电极，21-第二微波馈送电极，金刚石晶胞(111)。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。
如图1所示的一种微小型单轴金刚石陀螺，包括陀螺仪外壳11，LED光源1，第一平凸透镜2，第一环形永磁铁3，第一光阑4，金刚石5，第二光阑6，第二环形永磁铁7，第二平凸透镜8，滤波片9，光电探测器10，所有器件均共轴集成在陀螺仪外壳内部；
LED光源1由LED供电接口12供电，可发出波长在510nm～550nm之间的绿光。第一平凸透镜2平面一侧紧邻LED光源1，用于会聚LED光源1发出的绿光。第一环形永磁铁3紧邻第一平凸透镜2的凸面一侧安装，第一环形永磁铁内径大于第一平凸透镜2的凸面直径，避免曲面造成的安装问题。第一光阑4一侧紧邻第一环形永磁铁3，同时另一侧与金刚石5紧密贴合。会聚后的平行光经第一环形永磁铁3以及第一光阑4后照射到金刚石5上，使金刚石5发出荧光。第二光阑6与第一光阑4对称地紧密贴合于金刚石5另一侧。第二环形永磁铁7紧邻第二光阑6，第二环形永磁铁与第一环形永磁铁3之间产生的静磁场平行于金刚石晶胞(111)的轴。第二平凸透镜8凸面直径小于第二环形永磁铁7内径，第二平凸透镜凸面一侧紧邻第二环形永磁铁7，平面一侧紧邻滤波片9。金刚石发出的荧光经第二光阑6和第二环形磁铁7后由第二平凸透镜8会聚，会聚的出射荧光经滤波片9过滤再由光电探测器探测10探测，通过光电探测器电气接口16可以为光电探测器10供电并且读出光电探测器10探测的信号。
如图5所示,金刚石5内部含有NV-色心系综，是陀螺仪的核心敏感元件，沿金刚石晶胞(111)的轴方向切割，在金刚石由碳原子(C)组成的正四面体结构中，一个碳原子被氮原子(N)取代，一个碳原子被空位(V)取代，构成了金刚石的NV色心，氮原子指向空位的方向在金刚石晶胞结构中的方向为(111)。如图2和图3所示，在金刚石5两侧中心位置对称地镀有圆形第一微波天线17和第二微波天线18。
第一光阑4的小孔19直径小于第一微波天线17的直径，在第一光阑4靠近金刚石5一侧的表面上、与第一微波天线17开口两侧的对应位置处镀有第一微波馈送电极20和第二微波馈送电极21，分别通过第一光阑4内部引线连接至第一微波馈送引脚13和第二微波馈送引脚14，见图4。第一光阑4与金刚石5紧密贴合，便于微波或射频信号通过第一微波馈送引脚13和第二微波馈送引脚14输入到第一微波天线17。第二光阑6与第一光阑4结构相同，并且与金刚石5紧密贴合，便于微波或射频信号通过第三微波馈送引脚15输入到第二微波天线18。
总之，本发明以内嵌负价氮原子-空位(NV-)色心的金刚石材料敏感载体角速度，以低功耗LED灯取代激光器提供极化和检测光，微波天线镀于金刚石表面以提供NV-色心能级操控的微波和射频信号，使结构简单紧凑，可有效提高陀螺仪的稳定度并降低生产成本，同时低功耗器件的应用也降低了使用成本，在需求小体积、低成本、低功耗、高稳定度陀螺仪的惯性导航和测姿***领域具有很大的应用潜力。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (4)

1.一种微小型单轴金刚石陀螺，其特征在于：包括陀螺仪外壳(11)，LED光源(1)，第一平凸透镜(2)，第二平凸透镜(8)，第一环形永磁铁(3)，第二环形永磁铁(7)，金刚石(5)，第一光阑(4)，第二光阑(6)，滤波片(9)，光电探测器(10)，所有器件均共轴集成在陀螺仪外壳(11)内部；其中：
所述的LED光源(1)发出波长在510nm～550nm之间的绿光，第一平凸透镜(2)的平面紧邻LED光源(1)，将绿光会聚成一束平行光，第一环形永磁铁(3)紧邻第一平凸透镜(2)的凸面一侧安装，第一环形永磁铁(3)内径大于第一平凸透镜(2)的凸面直径，第一光阑(4)一侧紧邻第一环形永磁铁(3)，另一侧与金刚石(5)紧密贴合，金刚石(5)位于第一光阑(4)和第二光阑(6)中间，第二光阑(6)一侧与金刚石(5)紧密贴合，另一侧紧邻第二环形永磁铁(7)，第二平凸透镜(8)凸面紧邻第二环形永磁铁(7)，第二平凸透镜(8)凸面直径小于第二环形永磁铁(7)内径，滤波片(9)紧邻第二平凸透镜(8)平面一侧，滤除510nm～550nm的绿光，透过630nm-800nm的荧光，光电探测器(10)紧邻滤波片(9)，用于探测630nm-800nm的荧光，通过光电探测器电气接口(16)为光电探测器(10)供电并且读出光电探测器(10)探测的信号。
2.根据权利要求1所述的一种微小型单轴金刚石陀螺，其特征在于：所述的金刚石(5)内部含有NV-色心系综，沿金刚石晶胞(111)的轴方向切割，金刚石(5)两侧表面的中心位置对称地镀有圆形的第一微波天线(17)和第二微波天线(18)。
3.根据权利要求1所述的一种微小型单轴金刚石陀螺，其特征在于：所述的第一光阑(4)的小孔(19)直径小于第一微波天线(17)的直径，在第一光阑(4)靠近金刚石(5)一侧的表面上、与第一微波天线(17)开口两侧的对应位置处镀有第一微波馈送电极(20)和第二微波馈送电极(21)，第一微波馈送电极(20)和第二微波馈送电极(21)通过第一光阑(4)内部引线分别连接至第一微波馈送引脚(13)和第二微波馈送引脚(14)；第一光阑(4)与金刚石(5)紧密贴合，便于微波或射频信号通过第一微波馈送引脚(13)和第二微波馈送引脚(14)输入到微波天线；第二光阑(6)与第一光阑(4)结构相同，并且与金刚石(5)紧密贴合，便于微波或射频信号通过第三微波馈送引脚(15)输入到第二微波天线(18)。
4.根据权利要求1所述的一种微小型单轴金刚石陀螺，其特征在于：所述的第一环形永磁铁(3)与第二环形永磁铁(7)之间产生的静磁场与金刚石晶胞(111)的轴平行。
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