CN107449411A - 纳米光栅非谐振式三轴角速率传感器 - Google Patents
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Abstract
一种纳米光栅非谐振式三轴角速率传感器,主要结构包括上基板、动光栅层、定光栅层、下基板、光电探测器、检测梁、联接块、质量块、动光栅、凸台、激光光源、导线组成,上基板内设置4个光电探测器、导线,动光栅层设置支撑框架、带有动光栅的质量块、检测梁、联接块,定光栅层设置4个定光栅,下基板内设置4个激光光源、导线,此装置无需驱动,该角速率传感器具有量程大、结构简单、正交耦合误差小、受外界冲击或振动影响小的优点。
Description
技术领域
本发明属于微惯性导航技术相关领域,具体涉及一种纳米光栅非谐振式三轴角速率传感器。
背景技术
微型机械电子式角速率传感器是二十世纪九十年代发展起来的高新技术产品,主要用于航空航天飞行器的姿态测量,是军用、民用飞行器必不可少的重要关键器件,一直受到世界航空航天科技领域的高度重视。
目前,角速率传感器一般由驱动结构、敏感质量、检测机构和转换线路等构成,由于在生产过程中不可避免的存在误差,使得角速率传感器无法达到最初设计时的对称性,结构误差产生的驱动模态能量耦合到检测模态会直接使输出产生较大噪声,而补偿由加工带来的误差一般为表头放置检测模块由次级电路输出相应补偿,这样给次级处理电路设计带来巨大难题,成本较高。另外,谐振式微机械角速率传感器受到外部振动的干扰较大且目前未出现有效的片内解决方案。本设计无需驱动,利用离心力驱动质量块产生运动,利用纳米光栅检测质量块运动产生的微位移,采用差分输出方式,有效减小了正交耦合误差,降低了由外部振动或冲击造成的输出失真问题。
纳米光栅对微位移进行检测具有高分辨力、低噪声的优点,分辨力可达飞米级。在距离测量及加速度传感器中得到了原理验证,但是未见纳米光栅运用在角速率传感器。
现有技术中,一种基于电容检测方式的微机械离心式陀螺(申请号:CN201110190016.X),本发明与之比较采用纳米光栅检测方式,光栅细分电路的细分倍数及跟踪速度尚有很大提升空间,而电容检测的接口电路的分辨率已经处于检测极限,精度很难再往上提升;另外本发明设计的检测组合梁通过巧妙的梁结构设计可降低检测误差,结构简单,与其中心位置设有锚点,通过四组弹性梁连接四个质量块,在结构上完全不同,可以看出本发明的实用性和前景更加宽广。
发明内容
发明目的:
本发明的目的就是针对背景技术的不足,设计一种采用纳米光栅检测的非谐振式角速率传感器,以大幅度降低微角速率传感器的正交耦合误差、降低由外部振动或冲击产生的输出失真、提高检测分辨力,使检测数据更加准确、可靠。
技术方案:
本发明主要结构由:上基板1、动光栅层2、定光栅层3、下基板4、光电探测器10、检测梁2041、联接块2042、质量块203、动光栅200、上下基板凸台11、41、激光光源401、导线组成;上基板1通过上基板凸台11与动光栅层2粘结牢固,动光栅层2通过支撑框架21与定光栅层3上表面粘结牢固,定光栅层3下表面与下基板4通过下基板凸台41粘结牢固。
所述上基板1为方形,材料为硅,前后左右对称设置四个光电探测器10,并粘结牢固,在光电探测器10左右分别设置导线,在光电探测器10前后分别设置导线。
所述动光栅层2为方形,包括支撑框架21和检测机构,支撑框架21通过联接块2042与检测机构连接,检测机构设有检测机构204、205,质量块203,动光栅200,检测机构204、205通过检测梁2041、与质量块203联接,质量块203中心位置设置动光栅200,动光栅通过干法刻蚀技术生成。
所述检测机构204、205设有联接块2042,检测梁2041,其中检测梁2041、联接块2042串联构成折叠梁结构。
所述检测机构较传统谐振式微机械角速率传感器而言,无驱动机构,结构简单,正交耦合误差小,量程大,且采用差分输出方式可有效避免由外部振动引起的输出失真。
所述定光栅层3为方形,在定光栅层3的前后左右对称设置定光栅301、302,定光栅通过干法刻蚀技术生成。
所述的下基板4为方形,材料为硅,在下基板4的上表面前后左右对称设置四个激光光源40,并粘结牢固,激光光源40正负极由导线引出。
有益效果:
本发明与背景技术相比具有明显的先进性,此检测装置是采用整体结构设计,检测X、Y、Z轴方向的敏感机构集成制作于同一支撑框架内,结构设计合理,适合器件的微型化;采用纳米光栅检测方式,敏感质量块设置有动光栅,正对于定光栅层内设置的定光栅,分辨力高,不受温度影响,本发明的角速率传感器无需驱动,正交耦合误差小,受外界振动或冲击影响小,结构简单、可靠性好、容易单片集成,适用于高速旋转物体的角速率测量。
附图说明
图1为本发明的整体结构局部剖视图
图2为本发明整体结构示意图
图3为本发明整体主视图
图4为本发明上基板结构示意图
图5为本发明上基板仰视图
图6为本发明动光栅层结构示意图
图7为本发明动光栅层俯视图
图8为本发明定光栅层结构示意图
图9为本发明定光栅层俯视图
图10为本发明下基板结构示意图
图11为本发明下基板俯视图;
图12为本发明敏感机构结构示意图
图13为本发明敏感机构俯视图
图14为本发明检测机构俯视图
图15为本发明纳米光栅结构示意图
图16为本发明纳米光栅剖视图
图中所示,附图标记清单如下:
1-上基板;2-动光栅层;3-定光栅层;4-下基板;10-光电探测器;11-上基板凸台;21-支撑框架;40-激光光源;41-下基板凸台;101-第一光电探测器;101a-探测器第一输入导线;101b-探测器第一输出导线;102-第二光电探测器;102a-探测器第二输入导线;102b-探测器第二输出导线;200-动光栅;201-第一敏感机构;202-第二敏感机构;203-质量块;204-第一检测机构;205-第二检测机构;301-第一定光栅;302-第二定光栅;401-第一激光光源;401a-光源第一输入导线;401b-光源第一输出导线;402-第二激光光源;402a-光源第二输入导线;402b-光源第二输出导线;2001-动光栅栅线;3001-定光栅栅线;2041-检测梁;2042-联接块;a-动光栅栅线狭缝;b-定光栅栅线狭缝;c-光栅间隙。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例,所述实施例的示例在附图中示出,其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的,仅用于解释本发明,而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中,需要理解的是,术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的组合或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。另外,本发明实施例的描述过程中,所有图中的“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等器件位置关系,均以图1为标准。
在本发明的描述中,需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语“相连”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以下结合附图对本发明做进一步说明:
如图1所示,为本发明所提供的纳米光栅非谐振式三轴角速率传感器,所述三轴角速率传感器包括一个上基板1、一个动光栅层2、一个定光栅层3、及一个下基板4,所述上基板1、动光栅层2、定光栅层3、及下基板4自上至下依次叠层设置;
所述三轴角速率传感器整体呈正方体型,但不限于正方体型;
如图2、3所示,具体为:所述上基板1整体为长方形板状结构,或正方形板状结构,本发明采用为正方形板状结构,所述上基板1的四个角落处面向动光栅层2的一侧上分别延伸出上基板凸台11,所述上基板凸台11的数量为四个,所述上基板凸台11将所述上基板11支撑在所述动光栅层2上侧面;
所述动光栅层2与所述上基板1的整体形状一致,所述动光栅层2的四个角落处具有向下延伸的支撑框架21,所述支撑框架21与所述上基板凸台11的位置相互对应;
所述下基板4及定光栅层3与所述上基板1的整体形状一致,在所述下基板的四个角落处面向定光栅层3的一侧上分别延伸出下基板凸台41,所述下基板凸台41与所述支撑框架21位置相互对应,并所述下基板凸台41的数量为4个,所述定光栅层3的四个角落同时被相互对应的支撑框架21及下基板凸台41呈夹持状,并固定;
在上述的连接点或固定点处均采用表面粘结固定;
所述上基板1面向动光栅2的一侧设置有多个光电探测器10;
在所述下基板4面向定光栅3的一侧设置有多个激光光源40;
所述光电探测器10与所述激光光源40的数量均为四个,并位置相互对应;所述激光光源40发射出的激光依次通过定光栅层3、动光栅层2,并由所述光电探测器10接收。
如图4、5所示,分别为上基板1的立体示意图及正视图,所述上基板1的光电探测器10包括两个过中心轴向方向上的第一光电探测器101,两个所述第一光电探测器101在竖直方向相互对应设置,并分别设置在上基板1边侧的中心位置上;
所述光电探测器10还包括第二光电探测器102,两个所述光电探测器102在水平方向上相互对应设置,并两个所述第二光电探测器102的连线与两个所述第一光电探测器101的连线相互垂直;两个所述第二光电探测器102同样分别设置在所述上基板1边侧的中心位置处,然而该边侧与第一光电探测器101的边侧相互交叉相邻。
所述第一光电探测器101分别连接探测器第一输入导线101a,及探测器第一输出导线101b,所述输入及输出位置可置换;
所述第二光电探测器102分别连接探测器第二输入导线102a,及探测器第二输出导线102b,所述输入及输出位置可置换;
如图6、7所示,分别为动光栅层2的立体示意图及正视图,所述动光栅层2的任意一组相对两边上分别设置有第一敏感机构201,及另外一组相对两边上分别设置有第二敏感机构202;
所述第一敏感机构201及第二敏感机构202的数量均为两个,并所述第一敏感机构201与所述第一光电探测器101的位置上下相对;所述第二敏感机构202与所述第二光电探测器102的位置上下相对。
如图8、9所示,分别为定光栅层3的立体示意图及正视图,所述定光栅3的任意一组相对两边上分别设置有第一定光栅301,及另外一组相对两边上分别设置有第二定光栅302;
所述第一定光栅301及第二定光栅302的数量均为两个,并所述第一定光栅301与所述第一敏感机构201的位置上下相对,所述第二定光栅302与所述第二敏感机构202的位置上下相对。
如图10、11所示,分别为下基板4的立体示意图及正视图,所述下基板4的激光光源40包括两个过中心轴向方向上的第一激光光源401,两个所述第一激光光源401在竖直方向相互对应设置,并分别设置在下基板4边侧的中心位置上;
所述激光光源40还包括第二激光光源402,两个所述激光光源402在水平方向上相互对应设置,并两个所述第二激光光源402的连线与两个所述第一激光光源401的连线相互垂直;两个所述第二激光光源402同样分别设置在所述下基板2边侧的中心位置处,然而该边侧与第一激光光源401的边侧相互交叉相邻。
所述第一激光光源401分别连接光源第一输入导线401a,及光源第一输出导线401b,所述输入及输出位置可置换;
所述第二激光光源402分别连接光源第二输入导线402a,及光源第二输出导线402b,所述输入及输出位置可置换;
相互对应的所述第一光电探测器101、第一敏感机构201、第一定光栅301及第一激光光源401处在同一竖直线上,依次上下对应。
如图12、13所示,为所述动光栅层2上的第一、二敏感机构201、202的细节示意图,所述第一、二敏感机构201、202均包括动光栅200,所述动光栅200设置在一个质量块203上,并具体设置在所述质量块203的中心位置处上,所述质量块203上下两端分别通过第一检测结构204及第二检测结构205连接在所述动光栅层2上;
具体为所述动光栅200与上、下的激光光源、定光栅及光电传感器处在同一竖直线上。
如图14所示,为所述检测结构的立体示意图,所述检测结构包括多个检测梁2041及联接块2042,检测梁2041通过联接块2042串联形成折叠梁结构,且可以串联或并联多次以实现不同的刚度要求,并联的特点是所有单梁都有自己的固定端和力的作用端;串联的特点是所有单梁共用一个固定端和一个力的作用端。并联梁的长度相同,总的横向尺寸增大,刚度系数变大;串联的横向尺寸不变,总长度增加,刚度系数变小。
所述检测机构较传统谐振式微机械角速率传感器而言,无驱动机构,结构简单,正交耦合误差小,量程大,且采用差分输出方式可有效避免由外部振动引起的输出失真。
如图15、16所示,所述动光栅200与所述的定光栅(301、302)上下平行排列,即动光栅200的每个动光栅栅线2001分别位于定光栅栅线3001上方,动光栅与定光栅共同构成多个狭缝,光栅间隙c小于激光光源40的光波波长,激光光源40和光电探测器10分别位于动光栅200和定光栅(301、302)中心的正下方与正上方。
所述动光栅与定光栅通过干法刻蚀技术生成。
发明原理是:
角速率传感器敏感到X轴角速度输入时会带动前后部的两个动光栅向外运动,并由前后部的两个光电器探测器探测到光强变化,输出一对差模信号。角速率传感器敏感到Y轴角速度输入时会带动左右部的两个动光栅向外运动,并由左右部的两个光电探测器探测到光强变化,输出一对差模信号。角速率传感器敏感到Z轴角速度输入时,X轴和Y轴上的共四个敏感质量块受离心力作用向外运动并由前后左右部的四个光电探测器探测到光强变化,输出两对差模信号。
本发明核心敏感器件为纳米光栅,周期接近或小于光波长,基于近场光学耦合原理,属矢量衍射理论。基本原理为为:当光在均匀介质(如空气)中传播时,它表现为一系列沿传播方向进行的平面波。当平面波遇到障碍时,它将因为障碍物的影响而发生改变。如果障碍物是一个狭缝,狭缝周围有两个主要区域,即近场区域和远场区域。如果障碍物包括多个狭缝,衍射出来的波是由各个狭缝相互作用得到的。当狭缝的大小发生变化时,通过狭缝衍射出来的光强就会随之发生改变。
根据本发明的一个实施例,激光光源40的中心波长范围可以在600nm到850nm,激光光源40和光电探测器10分别位于动光栅和定光栅中心的正下方与正上方,即激光光源40发出的光波可通过定光栅与动光栅照射到光电探测器10,当在有角速度输入时,动光栅相对与定光栅间相对位置发生变化,用激光光源照射纳米光栅,相对位置的变化将导致照射到纳米光栅的输入光的反射光和透射光的能量改变,使投射到光电探测器的光强发生变化,相对位置的变化将引起投射光强发生剧烈的变化。这样就可把一个微弱的离心力信号转化为一个较大的光学信号,通过光电探测器即可将光学信号转换为电学信号。
在本说明书的描述中,参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中,对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且,描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例,本领域的普通技术人员可以理解,在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型,本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (8)
1.纳米光栅非谐振式三轴角速率传感器,其特征在于,所述角速率传感器包括:上基板、动光栅层、定光栅层及下基板,所述上基板、动光栅层、定光栅层及下基板依次叠层布置;
所述角速率传感器还包括纳米光栅检测单元,所述纳米光栅检测单元包括:光电探测器、动光栅、定光栅、及激光光源,所述光电探测器、动光栅、定光栅、及激光光源分别设置在所述上基板、动光栅层、定光栅层及下基板上,同一个纳米光栅检测单元内,所述光电探测器、动光栅、定光栅、及激光光源置于同一竖直线上;
所述动光栅布置在质量块上,所述质量块通过折叠梁结构连接在所述动光栅层上。
2.根据权利要求1所述的纳米光栅非谐振式三轴角速率传感器,其特征在于,所述角速率传感器整体呈正方体结构;
所述纳米光栅检测单元的数量为四个,分别置于所述正方体结构的四个侧边上。
3.根据权利要求1所述的纳米光栅非谐振式三轴角速率传感器,其特征在于,所述上基板的四个角落处面向动光栅层的一侧上分别延伸出上基板凸台,所述上基板凸台的数量为四个,所述上基板凸台将所述上基板支撑在所述动光栅层上侧面;
所述上基板的光电探测器包括两个过中心轴向方向上的第一光电探测器,两个所述第一光电探测器在竖直方向相互对应设置,并分别设置在上基板边侧的中心位置上;
所述光电探测器还包括第二光电探测器,两个所述光电探测器在水平方向上相互对应设置,并两个所述第二光电探测器的连线与两个所述第一光电探测器的连线相互垂直;两个所述第二光电探测器同样分别设置在所述上基板边侧的中心位置处;
所述第一光电探测器分别连接探测器第一输入导线,及探测器第一输出导线,所述输入及输出位置可置换;
所述第二光电探测器分别连接探测器第二输入导线,及探测器第二输出导线,所述输入及输出位置可置换。
4.根据权利要求3所述的纳米光栅非谐振式三轴角速率传感器,其特征在于,所述动光栅层与所述上基板的整体形状一致,所述动光栅层的四个角落处具有向下延伸的支撑框架,所述支撑框架与所述上基板凸台的位置相互对应;
所述动光栅层的任意一组相对两边上分别设置有第一敏感机构,及另外一组相对两边上分别设置有第二敏感机构;
所述第一敏感机构及第二敏感机构的数量均为两个,并所述第一敏感机构与所述第一光电探测器的位置上下相对;所述第二敏感机构与所述第二光电探测器的位置上下相对。
5.根据权利要求4所述的纳米光栅非谐振式三轴角速率传感器,其特征在于,所述定光栅的任意一组相对两边上分别设置有第一定光栅,及另外一组相对两边上分别设置有第二定光栅;
所述第一定光栅及第二定光栅的数量均为两个,并所述第一定光栅与所述第一敏感机构的位置上下相对,所述第二定光栅与所述第二敏感机构的位置上下相对。
6.根据权利要求5所述的纳米光栅非谐振式三轴角速率传感器,其特征在于,所述下基板及定光栅层与所述上基板的整体形状一致,在所述下基板的四个角落处面向定光栅层的一侧上分别延伸出下基板凸台,所述下基板凸台与所述支撑框架位置相互对应,并所述下基板凸台的数量为4个,所述定光栅层的四个角落同时被相互对应的支撑框架及下基板凸台呈夹持状,并固定;
所述下基板的激光光源包括两个过中心轴向方向上的第一激光光源,两个所述第一激光光源在竖直方向相互对应设置,并分别设置在下基板边侧的中心位置上;
所述激光光源还包括第二激光光源,两个所述激光光源在水平方向上相互对应设置,并两个所述第二激光光源的连线与两个所述第一激光光源的连线相互垂直;两个所述第二激光光源同样分别设置在所述下基板边侧的中心位置处,然而该边侧与第一激光光源的边侧相互交叉相邻;
所述第一激光光源分别连接光源第一输入导线,及光源第一输出导线,所述输入及输出可置换;
所述第二激光光源分别连接光源第二输入导线,及光源第二输出导线,所述输入及输出可置换。
7.根据权利要求1所述的纳米光栅非谐振式三轴角速率传感器,其特征在于,所述折叠梁结构包括多个检测梁、联接块,所述检测梁与所述联接块串联形成折叠梁结构;
所述折叠梁结构形成至少一个回折结构。
8.根据权利要求1所述的纳米光栅非谐振式三轴角速率传感器,其特征在于,所述激光光源的中心波长范围为近红外波段。
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