专利名称：一种基于反射式斜向莫尔条纹位移检测的微机械陀螺及其实现方法
一种基于反射式斜向莫尔条纹位移检测的微机械陀螺及其
实现方法所属领域本发明涉及一种基于反射式斜向莫尔条纹位移检测的微机械陀螺及其实现方法， 属于光学检测领域。
背景技术：
陀螺仪是一种能够精确地确定运动物体的方位的仪器，它是现代航空，航海，航天 和国防工业中广泛使用的一种惯性导航仪器。目前使用MEMS技术的微机械陀螺的基本工 作原理都是基于科氏(Coriolis)力效应，即转动坐标系中的运动物体会受到与速度方向 垂直的惯性力的作用。科氏力与转动角速度成正比，通过检测科氏力得到转动系统的角速 度。而微机械陀螺敏感方式包括电容检测、压阻检测和压电检测等。在实际应用中，由于电 容检测方法不受湿度等因素的影响，并具有较高的检测灵敏度，因此，电容检测的方案在微 机械陀螺中采用最多，如专利申请号为200610114485，发明名称为“一种电容式全解耦水平 轴微机械陀螺”的专利公开了一种电容式检测的微机械陀螺。但是基于电容检测方式有如下不足1)微机械电容式陀螺的电容量小(几PF左右)，变化量更小，提取如此小的电容 变化信号，对配套电路要求非常高；2)检测电路会引入电路噪声，而噪声的引入会制约陀 螺精度的进一步提升；3)采用电容检测方法时，由于提取的是微弱信号，电路周围寄生杂 散电容很容易淹没有用信号，对电路检测影响较大；4)电容受外界环境比如湿度或接地情 况等的影响较大，使得微机械陀螺的零偏漂移输出较大，从而影响系统的精度。

发明内容
本发明的目的在于公开一种基于反射式斜向莫尔条纹位移检测的微机械陀螺及 其实现方法，以解决现有技术中的如下问题1)提取微弱电容变化信号对配套电路要求非 常高的问题；2)检测电路的电路噪声问题；3)检测电路的寄生杂散电容问题；4)微机械陀 螺的零偏漂移问题。本发明提出了一种基于反射式斜向莫尔条纹位移检测的微机械陀螺，包括结构层 1和基底2，结构层1和基底2材料均为半导体材料。为了表述清楚，定义χ方向为陀螺的敏感方向，y方向为陀螺的驱动方向，根据右 手定则定义ζ方向；结构层1包括质量块9、挠性梁7、驱动装置和敏感移动梳齿5 ；质量块 9通过挠性梁7悬置于基底2的锚点8之上，质量块9上连接有驱动装置，驱动装置在y方 向，即陀螺的驱动方向上产生驱动力，从而带动质量块9沿y方向运动；敏感移动梳齿5也 连接在质量块9上，它与置于基底2上的敏感固定梳齿4相应，两者在xoy平面上的投影成 一定的角度θ重叠，0< θ ^ 1° ；同时敏感移动梳齿5在ζ方向的最低点高于敏感固定 梳齿4的最高点，以形成两者之间的相对运动空间；敏感固定梳齿4的宽度为W1，两个敏感 固定梳齿4之间的间隙为gl ；敏感移动梳齿5的宽度为W2，两个敏感移动梳齿5之间的垂直
3距离为& ；他们之间满足关系式Wl+gl ^ w2+g2 ；同时激光光源3的波长λ与梳齿之间的间 隙以及梳齿的宽度之间的关系满足0 < Wl+gl彡10 λ，0 < w2+g2彡10 λ。上述基于反射式斜向莫尔条纹位移检测的微机械陀螺的实现方法，包括如下步 骤步骤一参阅图1，由激光光源3发出的单色光经聚光透镜6后变成平行光，照明 微机械陀螺上的敏感固定梳齿4和敏感移动梳齿5，敏感固定梳齿4和敏感移动梳齿5构成 一组测量光栅对，敏感固定梳齿4相当于指示光栅，敏感移动梳齿5相当于标尺光栅，因为 敏感固定梳齿4和敏感移动梳齿5在xoy平面上的投影成一个角度θ重叠，当有光照射时， 会产生一种几何干涉现象，产生莫尔条纹；对于微机械陀螺而言，敏感移动梳齿5在科氏力 作用下在敏感方向移动时，莫尔条纹也会发生相应的移动；敏感移动梳齿5移动一个栅距， 莫尔条纹移动一个条纹节距；当敏感移动梳齿5沿反方向移动时，莫尔条纹也随之改变运 动方向，通过测量移动的莫尔条纹的位移就可以检测敏感移动梳齿5的位移；步骤二 步骤一中产生的莫尔条纹被光电探测器11所接收，获得相应的电信号， 将这个正弦波信号，经差动放大器放大后，由斯密特整形电路形成方波，再经微分电路变成 前沿陡直的尖脉冲；步骤三步骤二中产生的尖脉冲经过整流电路让正方向或负方向的脉冲通过，然 后进入电子计数器进行计数；步骤四这样敏感移动梳齿5移动一个栅距d，其中d = w2+g2,电子计数器就计一 个数，最后输出移动的莫尔条纹数η ；步骤五由光栅的位移检测原理可知，敏感移动梳齿5相应的移过η个栅距d，则 敏感移动梳齿5移动的距离1为1 = nd ；同时，由微机械陀螺的工作原理可知，微机械陀螺
敏感模态方向的位移Uy为uy= ^^，其中Ux为陀螺驱动模态方向的位移，\ = ，Fe
2 兀/νK
为驱动方向的驱动力，Q' d为微机械陀螺驱动方向总的品质因数，kx为微机械陀螺驱动方 向总的刚度系数，Q' s为微机械陀螺敏感方向总的品质因数，Ω为外界输入角速度，f' s
为微机械陀螺敏感方向的谐振频率；因此，、,=洞时由位移变量的同一性要求可
τ/Λ
得，nd = uy,因此，W =，从而解得外界输入角速度Ω =。
π/Α-KQdQs本发明的有益效果是1)采用非接触测量，因而对被测表面不会造成破坏；2)测 量速度高；3)检测精度高，能够检测到nm尺寸下的位移；4)与电学方法相比较，不会给系 统引入未知的静电力，从而造成系统刚度的变化，有利于系统性能的稳定。下面结合附图和实施实例对本发明进一步说明。


图1 本发明提出的基于反射式斜向莫尔条纹的微机械陀螺敏感模态的位移检测 方法的检测原理2 本发明实施例1中微机械陀螺结构主视3 本发明实施例1中结构层俯视示意图
图4 本发明实施例1中基底层俯视示意5 本发明实施例2中微机械陀螺结构主视6 本发明实施例2中结构层俯视示意7 本发明实施例2中基底层俯视示意中，1-结构层，2-基底，3-激光光源，4-敏感固定梳齿，5-敏感移动梳齿，6_聚 光透镜，7-挠性梁，8-锚点，9-质量块，10-驱动移动梳齿，11-光电探测器，12-驱动固定梳 齿，13-导电通道，14-驱动电极实施例1参阅图2、图3和图4，为了表述清楚，定义χ方向为陀螺的敏感方向，y方向为陀 螺的驱动方向，根据右手定则定义ζ方向，本发明公开了一种基于反射式斜向莫尔条纹位 移检测的微机械陀螺，包括结构层1和基底2，结构层1和基底2材料均为硅；结构层1包 括质量块9、折叠梁7、驱动移动梳齿10和敏感移动梳齿5 ；质量块9通过折叠梁7悬置于 基底2的锚点8之上，质量块9上连接有驱动移动梳齿10，它与置于基底2上的驱动固定梳 齿12相应，两者构成驱动装置，驱动装置在y方向，即陀螺的驱动方向上产生驱动力，从而 带动质量块9沿y方向运动；敏感移动梳齿5也连接在质量块9上，它与置于基底2上的敏 感固定梳齿4相应，两者在xoy平面上的投影成一定的角度θ重叠，θ =0. Olrad ；敏感固 定梳齿4的高度为30um，宽度为W1 = 3um，敏感固定梳齿4之间的间隙为gl = 2um，敏感移 动梳齿5的高度为30um，宽度为W2 = 2um，敏感移动梳齿4之间的垂直距离为g2 = 2um，敏 感移动梳齿5在ζ方向的最低点与敏感固定梳齿4的最高点的距离为lOum，以形成两者之 间的相对运动空间。本实施例的基于反射式斜向莫尔条纹位移检测的微机械陀螺的实现方法如下系统开启后，微机械陀螺在静电力的驱动下在驱动方向处于谐振状态，当没有外 界角速度输入时，微机械陀螺在敏感方向是静止不动的，由激光光源3发出的单色光，λ = 0. 76um,经聚光透镜6后变成平行光，照明微机械陀螺上的敏感固定梳齿4和敏感移动梳齿 5，敏感固定梳齿4和敏感移动梳齿5构成一组光栅对，因为敏感固定梳齿4和敏感移动梳 齿5成一个角度重叠，当有光照射时，会产生一种几何干涉现象，产生莫尔条纹；当外界有 角速度输入时，由于科氏力效应的影响，微机械陀螺的质量块9会在敏感方向上发生谐振， 从而带动质量块9上的敏感移动梳齿5在敏感方向上移动，莫尔条纹也会发生相应的移动。 敏感移动梳齿5移动一个栅距，莫尔条纹移动一个条纹节距。当敏感移动梳齿5沿反方向 移动时，莫尔条纹也随之改变运动方向；该莫尔条纹被光电探测器11所接收，获得相应的 电信号，将这个正弦波信号，经差动放大器放大后，由斯密特整形电路形成方波，再经微分 电路变成前沿陡直的尖脉冲；该尖脉冲经过整流电路让正方向的脉冲通过，然后进入电子 计数器进行计数；这样敏感移动梳齿5移动一个节距d，在本实施例中，d = 5um,电子计数 器就计一个数，最后输出移动的莫尔条纹数η ;n = 1，由光栅的位移检测原理可知，移动梳 齿移动的距离1为1 = nd = 5um ；同时，由微机械陀螺的工作原理可知，微机械陀螺敏感模
态方向的位移Uy为外=QFeffs ;Fe为梳齿驱动静电力，在本实施例中Fe = 6. 2 X IO^7N ；
Q' d为微机械陀螺驱动方向总的品质因数，在本实施例中Q' d = 229. 99;Q' s为微机械 陀螺敏感方向总的品质因数，在本实施例中Q' s = 229. 99 ； Ω为外界输入角速度，在本实
5施例中Ω为待测量；fs为微机械陀螺敏感方向的谐振频率，在本实施例中fs = 3614. 5Hz ； kx为微机械陀螺驱动方向总的刚度系数，在本实施例中kx= 1. 17X102N/m;3i为圆周率，在
本实施例中η = 3. 14159265;这样由位移变量的同一性要求可得，" / = ^^，从而解 得.Ω = —Α 二 202.5rai/ / s。
M ’ FeQdQs实施例2参阅图5、图6和图7，为了表述清楚，定义χ方向为陀螺的敏感方向，y方向为陀螺 的驱动方向，根据右手定则定义ζ方向，本发明公开了一种基于反射式斜向莫尔条纹位移 检测的微机械陀螺，包括结构层1和基底2，结构层1和基底2材料均为锗，结构层1上有驱 动电极14，材料为金属铝；结构层1包括质量块9、U型梁7、条状导电通道13和敏感移动梳 齿5 ；质量块9通过U型梁7悬置于基底2的锚点8之上，质量块9上分布有7条平行于y 方向贯穿的等宽条状导电通道13，它们被8条平行于y方向的相间的等距长条间隙隔开，条 状导电通道13与置于结构层1上的驱动电极14共同构成驱动装置；驱动电极14加电后， 电流流经条状导电通道13，当外加ζ方向的磁场后，驱动装置在y方向，即陀螺的驱动方向 上产生驱动力，从而驱动质量块9沿y方向运动；敏感移动梳齿5也连接在质量块9上，它 与置于基底2上的敏感固定梳齿4相应，两者在xoy平面上的投影成一定的角度θ重叠， θ = 0. 02rad ；敏感固定梳齿4的高度为25um，宽度为W1 = 3um，敏感固定梳齿4之间的间 隙为& = 3um，敏感移动梳齿5的高度为25um，宽度为W2 = 2um，敏感移动梳齿4之间的垂 直距离为& = 2um，敏感移动梳齿5在ζ方向的最低点与敏感固定梳齿4的最高点的距离 为15um，以形成两者之间的相对运动空间。本实施例的基于反射式斜向莫尔条纹位移检测的微机械陀螺的实现方法如下系统开启后，微机械陀螺在静电力的驱动下在驱动方向处于谐振状态，当没有外 界角速度输入时，微机械陀螺在敏感方向是静止不动的，由激光光源3发出的单色光，λ = 1. 51um,经聚光透镜6后变成平行光，照明微机械陀螺上的敏感固定梳齿4和敏感移动梳齿 5，敏感固定梳齿4和敏感移动梳齿5构成一组光栅对，因为敏感固定梳齿4和敏感移动梳 齿5成一个角度重叠，当有光照射时，会产生一种几何干涉现象，产生莫尔条纹；当外界有 角速度输入时，由于科氏力效应的影响，微机械陀螺的质量块9会在敏感方向上发生谐振， 从而带动质量块9上的敏感移动梳齿5在敏感方向上移动，莫尔条纹也会发生相应的移动。 敏感移动梳齿5移动一个栅距，莫尔条纹移动一个条纹节距。当敏感移动梳齿5沿反方向 移动时莫尔条纹也随之改变运动方向；该莫尔条纹被光电探测器11所接收，获得相应的电 信号，将这个正弦波信号，经差动放大器放大后，由斯密特整形电路形成方波，再经微分电 路变成前沿陡直的尖脉冲；该尖脉冲经过整流电路让负方向的脉冲通过，然后进入电子计 数器进行计数；这样敏感移动梳齿5移动一个节距d，在本实施例中，d = 4um,电子计数器 就计一个数，最后输出移动的莫尔条纹数η ;n = 2，由光栅的位移检测原理可知，移动梳齿 移动的距离1为1 = nd = Sum ；同时，由微机械陀螺的工作原理可知，微机械陀螺敏感模
态方向的位移Uy为-My =卻子产；Fe为电磁驱动力，在本实施例中Fe = 4. 2 X IO-6N ；Q' d
为微机械陀螺驱动方向总的品质因数，在本实施例中Q' d= 160. 45;Q' s为微机械陀螺敏感方向总的品质因数，在本实施例中Q' s = 160. 45 ； Ω为外界输入角速度，在本实施例 中Ω为待测量；fs为微机械陀螺敏感方向的谐振频率，在本实施例中fs 二 2476. 3Hz ;kx为 微机械陀螺驱动方向总的刚度系数，在本实施例中kx = 5. 47X10^/111 ； π为圆周率，在本
实施例中η = 3. 14159265;这样由位移变量的同一性要求可得，=从而解得
权利要求
一种基于反射式斜向莫尔条纹位移检测的微机械陀螺，其特征在于包括结构层(1)和基底(2)，结构层(1)和基底(2)材料均为半导体材料；所述结构层(1)包括质量块(9)、挠性梁(7)、驱动装置和敏感移动梳齿(5)；质量块(9)通过挠性梁(7)悬置于基底(2)的锚点(8)之上，质量块(9)上连接有驱动装置，驱动装置在y方向，即陀螺的驱动方向上产生驱动力，从而带动质量块(9)沿y方向运动；敏感移动梳齿(5)也连接在质量块(9)上，它与置于基底(2)上的敏感固定梳齿(4)相应，两者在xoy平面上的投影成一定的角度θ重叠，0＜θ≤1°；同时敏感移动梳齿(5)在z方向的最低点高于敏感固定梳齿(4)的最高点，以形成两者之间的相对运动空间；敏感固定梳齿(4)的宽度为w1，两个敏感固定梳齿(4)之间的间隙为g1；敏感移动梳齿(5)的宽度为w2，两个敏感移动梳齿(5)之间的垂直距离为g2；他们之间满足关系式w1+g1≠w2+g2；同时激光光源(3)的波长λ与梳齿之间的间隙以及梳齿的宽度之间的关系满足0＜w1+g1≤10λ，0＜w2+g2≤10λ。
2.一种如权利要求1所述的基于反射式斜向莫尔条纹位移检测的微机械陀螺，其特征 在于，所述的驱动装置为静电驱动梳齿。
3.—种如权利要求1所述的基于反射式斜向莫尔条纹位移检测的微机械陀螺，其特征 在于，所述的驱动装置为电磁驱动装置。
4.一种如权利要求1所述的基于反射式斜向莫尔条纹位移检测的微机械陀螺的实现 方法，其特征在于，包括如下步骤步骤一由激光光源(3)发出的单色光经聚光透镜(6)后变成平行光，照明微机械陀螺 上的敏感固定梳齿(4)和敏感移动梳齿(5)，敏感固定梳齿(4)和敏感移动梳齿(5)构成一 组测量光栅对，敏感固定梳齿(4)相当于指示光栅，敏感移动梳齿(5)相当于标尺光栅，当 有光照射时，产生莫尔条纹；步骤二 步骤一中产生的莫尔条纹被光电探测器(11)所接收，获得相应的电信号，将 这个正弦波信号，经差动放大器放大后，由斯密特整形电路形成方波，再经微分电路变成前 沿陡直的尖脉冲；步骤三步骤二中产生的尖脉冲经过整流电路让正方向或负方向的脉冲通过，然后进 入电子计数器进行计数；步骤四输出移动的莫尔条纹数η ；^ Ttndfkv步骤五计算外界输入角速度Ω，Ω = —^，其中&为驱动方向的驱动力，Q‘ d为微机械陀螺驱动方向总的品质因数，kx为微机械陀螺驱动方向总的刚度系数，Q' s为微机械 陀螺敏感方向总的品质因数，f' s为微机械陀螺敏感方向的谐振频率，d为一个栅距，d = w2+g2。
全文摘要
本发明公开了一种基于反射式斜向摩尔条纹位移检测的微机械陀螺及其实现方法，属于光学检测领域。该机构由结构层和基底构成。结构层上的敏感移动梳齿和基底上的敏感固定梳齿构成一组测量光栅对，在光源照射下，产生几何干涉，形成莫尔条纹。敏感移动梳齿在科氏力作用下移动，莫尔条纹也会成比例的发生相应的移动，通过后续的信号处理模块可以读取莫尔条纹移动的数目，由该数目求得外界输入的角速度。该发明的有益效果是1)采用非接触测量，因而对被测表面不会造成破坏；2)测量速度高；3)检测精度高，能够检测到nm尺寸下的位移；4)与电学方法相比较，不会给系统引入未知的静电力，从而造成系统刚度的变化，有利于系统性能的稳定。
文档编号G01C19/58GK101900555SQ201010221858
公开日2010年12月1日 申请日期2010年7月8日 优先权日2010年7月8日
发明者付乾炎, 吕湘连, 常洪龙, 苑伟政, 谢中建 申请人:西北工业大学