一種基于納米光柵檢測的高q值微機械陀螺結構的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及微慣性導航技術相關領域，具體而言，涉及一種基于納米光柵檢測的 高Q值微機械陀螺結構。
【背景技術】
[0002] 微機械陀螺的核心技術是對微弱柯氏力引起的微應力或微位移進行檢測。隨著器 件微型化，檢測局限性越來越多，限制了陀螺檢測靈敏度的進一步提高。目前微機械陀螺主 要有：壓阻式微機械陀螺、電容式微機械陀螺、壓電式微機械陀螺以及石英微陀螺等。壓阻 式微機械陀螺的靈敏度較低，固有的溫度效應極大地限制了其應用；目前廣泛應用的微機 械陀螺是電容式微機械陀螺，但隨著微陀螺的進一步微型化，電容式微機械陀螺梳齒電壓 容易擊穿，制造工藝精度要求較高，電路復雜，易受電磁干擾；壓電式微機械陀螺零點容易 漂移，需要經常校正，歸零慢，不宜連續測試；石英微陀螺中的石英晶體自身材料特性決定 了其在Z軸（光軸）方向上完全沒有壓電效應，這也在一定程度上限制了其在多軸檢測方 面的應用。
[0003] 現有的微機械陀螺儀都具有其局限性，限制了微機械陀螺儀的進一步發展。微機 械陀螺儀中的柯氏力非常微弱，產生的應力或位移非常微小，對其進行精確檢測需要極高 的檢測靈敏度和分辨能力。而納米光柵對微位移檢測具有高分辨率、低噪聲的優點，其分 辨率可達fm級，噪聲可接近熱噪聲極限。美國Sandia實驗室制作的基于納米光柵檢測的
者結合起來，采用納米光柵檢測微機械陀螺產生的微位移具有可行性。在實用新型專利"一 種基于納米光柵檢測的新型陀螺儀"中（申請號為：201320697940. 1)，它也是采用納米光 柵檢測的微機械陀螺結構，但是該微機械陀螺的上下兩層結構間的阻尼系數太大，最終導 致該微機械陀螺結構的靈敏度太小，而本發明通過將下層結構設計成一個凸臺，減小了上 下兩層結構間的有效交疊面積，最終將微機械陀螺的靈敏度提高了 1-2個數量級。本發明 的采用的納米光柵檢測是基于面內檢測的，而實用新型專利"一種基于納米光柵檢測的新 型陀螺儀"中采用的是離面檢測，根據國內外研究可知，面內檢測的納米光柵效應靈敏度要 比離面檢測的納米光柵效應靈敏度高3個數量級，而且本發明的微陀螺結構與實用新型專 利"一種基于納米光柵檢測的新型陀螺儀"的微陀螺結構是完全不同的，可以看出，本發明 的實用性和前景更加寬廣。
【發明內容】
[0004] 本發明旨在解決現有的基于納米光柵檢測的微機械陀螺雙層結構間的阻尼系數 太大、Q值太小的問題。
[0005] 為了有效解決上述問題，本發明提出一種基于納米光柵檢測的高Q值微機械陀螺 結構。由于雙層納米光柵間的間距很近，微機械陀螺結構的阻尼系數必然會很大，本發明 中，通過將下層結構設計成一個凸臺，減小上下兩層結構間的交疊面積，可以減小雙層結構 間的阻尼系數，從而增大Q值，本發明擬提高該微機械陀螺結構的Q值1-2個數量級。
[0006] -種基于納米光柵檢測的高Q值微機械陀螺結構，所述微機械陀螺結構具有一設 置固定納米光柵的凸臺，所述凸臺實現減小下層固定結構和上層可動結構間的交疊面積。
[0007] 進一步地，所述微機械陀螺結構還包括一支撐框體，所述支撐框體設置在凸臺上 方，所述凸臺中心處設置固定納米光柵；所述支撐框體中心處設置可動結構。
[0008] 進一步地，所述可動結構包括可動框體及質量塊，所述質量塊通過檢測懸臂梁固 定在可動框體中間；
[0009] 所述可動框體通過驅動懸臂梁、連接塊與所述支撐框體連接。
[0010] 進一步地，所述質量塊正中心設有凹槽，所述凹槽中間位置設有可動納米光柵，所 述可動納米光柵與所述固定納米光柵位置相對應。
[0011] 進一步地，所述凸臺正下方設有用于為納米光柵提供光源的激光光源；
[0012] 在所述可動納米光柵正上方設有用于檢測透過過納米光柵的光強、并將檢測到的 光強轉換為電信號的光電轉換模塊，所述光電轉換模塊邊側設置用于將光電轉換模塊獲得 的電信號轉換為角速度信號的信號檢測模塊。
[0013] 進一步地，所述連接塊連接在支撐框體上，所述可動框體通過四根驅動懸臂梁連 接在連接塊上，所述檢測懸臂梁的數量也為四根。
[0014] 進一步地，所述連接塊、驅動懸臂梁和可動框體布置有電磁驅動導線。
[0015] 本發明中的微機械陀螺結構，凸臺上布置的固定納米光柵和質量塊上布置的可 動納米光柵共同組成位移敏感器件，質量塊產生水平位移將帶動可動納米光柵發生位移， 該微位移將導致透射的光強發生劇烈變化，通過檢測光強的變化就能得到輸入角速度的大 小，基于納米光柵檢測的微機械陀螺擬將微機械陀螺的靈敏度提高一到兩個數量級。
[0016] 本發明將下層固定光柵設置在一個凸臺上，減小了下層固定結構與上層可動結構 間的交疊面積，當微機械陀螺的質量塊在柯氏力的作用下產生水平位移時，上下兩層結構 間的滑膜阻尼系數大大減小，增大了該微機械陀螺的結構靈敏度，將基于納米光柵檢測的 微機械陀螺的結構靈敏度提高1-2個數量級，其整體結構緊湊，具有靈敏度高的優勢。
【附圖說明】
[0017] 本發明的上述和/或附加的方面和優點結合下面附圖對實施例的描述中將變得 明顯和容易理解，其中：
[0018] 圖1為本發明實施例的微機械陀螺結構整體結構原理圖；
[0019] 圖2為本發明實施例的微機械陀螺結構凸臺結構圖；
[0020] 圖3為本發明實施例的微機械陀螺結構上層可動結構圖；
[0021] 圖4為本發明實施例的微機械陀螺結構上層可動結構俯視圖；
[0022] 圖5為本發明實施例的微機械陀螺結構敏感原理圖；
[0023] 圖6為本發明實施例的雙層納米光柵結構圖。
[0024] 圖中所示，附圖標記清單如下：
[0025] 1、支撐框體；2、質量塊；3、可動納米光柵；4、連接塊；5、檢測懸臂梁；6、可動框體； 7、電磁驅動導線；8、驅動懸臂梁；9、凹槽；10、凸臺；11、激光光源；12、固定納米光柵；13、 光電轉換模塊；14、信號檢測模塊。
【具體實施方式】
[0026] 下面結合附圖和實施例對本發明做進一步詳細說明，所述實施例的示例在附圖中 示出，其中自始至終相同或類似的標號表示表示相同或類似的原件或具有相同或類似功能 的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，僅用于解釋本發明，而不能理解為對 本發明的限制。
[0027] 在本發明中，需要解釋的是，術語"中心"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"等指示 的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，僅是為了便于描述和簡化描述本發 明，而不是指示或暗示所指的結構或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作， 因此不能理解為對本發明的限制。
[0028] 在本發明中，需要說明的是，除非另有明確的規定和限定，術語"相連"、"連接"應 做廣義解釋，例如：可以固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接， 也可以是電連接；可以是直接連接，也可以是通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部 的連通。對于本領域的普通技術人員，可以具體情況理解上述術語在本發明中的具體含義。
[0029] 基于納米光柵檢測的高Q值微機械陀螺主要可用水平和垂直可調檢測方式，相比 于垂直可調的微機械陀螺，水平可調的微機械陀螺儀的精度要高三個數量級。其基本工作 原理是：由電磁驅動內框帶動質量塊在驅動方向諧振，當有角速度《輸入時，由于柯氏效 應，質量塊將受到沿檢測方向的柯氏力作用，致使可動光柵相對于固定光柵發生位移，微弱