本發明專利技術公開了一種基于反射式斜向摩爾條紋位移檢測的微機械陀螺及其實現方法，屬于光學檢測領域。該機構由結構層和基底構成。結構層上的敏感移動梳齒和基底上的敏感固定梳齒構成一組測量光柵對，在光源照射下，產生幾何干涉，形成莫爾條紋。敏感移動梳齒在科氏力作用下移動，莫爾條紋也會成比例的發生相應的移動，通過后續的信號處理模塊可以讀取莫爾條紋移動的數目，由該數目求得外界輸入的角速度。該發明專利技術的有益效果是：１）采用非接觸測量，因而對被測表面不會造成破壞；２）測量速度高；３）檢測精度高，能夠檢測到ｎｍ尺寸下的位移；４）與電學方法相比較，不會給系統引入未知的靜電力，從而造成系統剛度的變化，有利于系統性能的穩定。
【技術實現步驟摘要】
一種基于反射式斜向莫爾條紋位移檢測的微機械陀螺及其實現方法所屬領域本專利技術涉及， 屬于光學檢測領域。
技術介紹
陀螺儀是一種能夠精確地確定運動物體的方位的儀器，它是現代航空，航海，航天 和國防工業中廣泛使用的一種慣性導航儀器。目前使用MEMS技術的微機械陀螺的基本工 作原理都是基于科氏(Coriolis)力效應，即轉動坐標系中的運動物體會受到與速度方向 垂直的慣性力的作用?？剖狭εc轉動角速度成正比，通過檢測科氏力得到轉動系統的角速 度。而微機械陀螺敏感方式包括電容檢測、壓阻檢測和壓電檢測等。在實際應用中，由于電 容檢測方法不受濕度等因素的影響，并具有較高的檢測靈敏度，因此，電容檢測的方案在微 機械陀螺中采用最多，如專利申請號為200610114485，專利技術名稱為“一種電容式全解耦水平 軸微機械陀螺”的專利公開了一種電容式檢測的微機械陀螺。但是基于電容檢測方式有如下不足1)微機械電容式陀螺的電容量小(幾PF左右)，變化量更小，提取如此小的電容 變化信號，對配套電路要求非常高；2)檢測電路會引入電路噪聲，而噪聲的引入會制約陀 螺精度的進一步提升；3)采用電容檢測方法時，由于提取的是微弱信號，電路周圍寄生雜 散電容很容易淹沒有用信號，對電路檢測影響較大；4)電容受外界環境比如濕度或接地情 況等的影響較大，使得微機械陀螺的零偏漂移輸出較大，從而影響系統的精度。
技術實現思路
本專利技術的目的在于公開一種基于反射式斜向莫爾條紋位移檢測的微機械陀螺及 其實現方法，以解決現有技術中的如下問題1)提取微弱電容變化信號對配套電路要求非 常高的問題；2)檢測電路的電路噪聲問題；3)檢測電路的寄生雜散電容問題；4)微機械陀 螺的零偏漂移問題。本專利技術提出了一種基于反射式斜向莫爾條紋位移檢測的微機械陀螺，包括結構層 1和基底2，結構層1和基底2材料均為半導體材料。為了表述清楚，定義χ方向為陀螺的敏感方向，y方向為陀螺的驅動方向，根據右 手定則定義ζ方向；結構層1包括質量塊9、撓性梁7、驅動裝置和敏感移動梳齒5 ；質量塊 9通過撓性梁7懸置于基底2的錨點8之上，質量塊9上連接有驅動裝置，驅動裝置在y方 向，即陀螺的驅動方向上產生驅動力，從而帶動質量塊9沿y方向運動；敏感移動梳齒5也 連接在質量塊9上，它與置于基底2上的敏感固定梳齒4相應，兩者在xoy平面上的投影成 一定的角度θ重疊，0< θ ^ 1° ；同時敏感移動梳齒5在ζ方向的最低點高于敏感固定 梳齒4的最高點，以形成兩者之間的相對運動空間；敏感固定梳齒4的寬度為W1，兩個敏感 固定梳齒4之間的間隙為gl ；敏感移動梳齒5的寬度為W2，兩個敏感移動梳齒5之間的垂直3距離為& ；他們之間滿足關系式Wl+gl ^ w2+g2 ；同時激光光源3的波長λ與梳齒之間的間 隙以及梳齒的寬度之間的關系滿足0 < Wl+gl彡10 λ，0 < w2+g2彡10 λ。上述基于反射式斜向莫爾條紋位移檢測的微機械陀螺的實現方法，包括如下步 驟步驟一參閱圖1，由激光光源3發出的單色光經聚光透鏡6后變成平行光，照明 微機械陀螺上的敏感固定梳齒4和敏感移動梳齒5，敏感固定梳齒4和敏感移動梳齒5構成 一組測量光柵對，敏感固定梳齒4相當于指示光柵，敏感移動梳齒5相當于標尺光柵，因為 敏感固定梳齒4和敏感移動梳齒5在xoy平面上的投影成一個角度θ重疊，當有光照射時， 會產生一種幾何干涉現象，產生莫爾條紋；對于微機械陀螺而言，敏感移動梳齒5在科氏力 作用下在敏感方向移動時，莫爾條紋也會發生相應的移動；敏感移動梳齒5移動一個柵距， 莫爾條紋移動一個條紋節距；當敏感移動梳齒5沿反方向移動時，莫爾條紋也隨之改變運 動方向，通過測量移動的莫爾條紋的位移就可以檢測敏感移動梳齒5的位移；步驟二 步驟一中產生的莫爾條紋被光電探測器11所接收，獲得相應的電信號， 將這個正弦波信號，經差動放大器放大后，由斯密特整形電路形成方波，再經微分電路變成 前沿陡直的尖脈沖；步驟三步驟二中產生的尖脈沖經過整流電路讓正方向或負方向的脈沖通過，然 后進入電子計數器進行計數；步驟四這樣敏感移動梳齒5移動一個柵距d，其中d = w2+g2,電子計數器就計一 個數，最后輸出移動的莫爾條紋數η ；步驟五由光柵的位移檢測原理可知，敏感移動梳齒5相應的移過η個柵距d，則 敏感移動梳齒5移動的距離1為1 = nd ；同時，由微機械陀螺的工作原理可知，微機械陀螺敏感模態方向的位移Uy為uy= ^^，其中Ux為陀螺驅動模態方向的位移，\ = ，Fe2 兀/νK為驅動方向的驅動力，Q' d為微機械陀螺驅動方向總的品質因數，kx為微機械陀螺驅動方 向總的剛度系數，Q' s為微機械陀螺敏感方向總的品質因數，Ω為外界輸入角速度，f' s為微機械陀螺敏感方向的諧振頻率；因此，、,=洞時由位移變量的同一性要求可τ/Λ得，nd = uy,因此，W =，從而解得外界輸入角速度Ω =。π/Α-KQdQs本專利技術的有益效果是1)采用非接觸測量，因而對被測表面不會造成破壞；2)測 量速度高；3)檢測精度高，能夠檢測到nm尺寸下的位移；4)與電學方法相比較，不會給系 統引入未知的靜電力，從而造成系統剛度的變化，有利于系統性能的穩定。下面結合附圖和實施實例對本專利技術進一步說明。附圖說明圖1 本專利技術提出的基于反射式斜向莫爾條紋的微機械陀螺敏感模態的位移檢測 方法的檢測原理2 本專利技術實施例1中微機械陀螺結構主視3 本專利技術實施例1中結構層俯視示意圖圖4 本專利技術實施例1中基底層俯視示意5 本專利技術實施例2中微機械陀螺結構主視6 本專利技術實施例2中結構層俯視示意7 本專利技術實施例2中基底層俯視示意中，1-結構層，2-基底，3-激光光源，4-敏感固定梳齒，5-敏感移動梳齒，6_聚 光透鏡，7-撓性梁，8-錨點，9-質量塊，10-驅動移動梳齒，11-光電探測器，12-驅動固定梳 齒，13-導電通道，14-驅動電極實施例1參閱圖2、圖3和圖4，為了表述清楚，定義χ方向為陀螺的敏感方向，y方向為陀 螺的驅動方向，根據右手定則定義ζ方向，本專利技術公開了一種基于反射式斜向莫爾條紋位 移檢測的微機械陀螺，包括結構層1和基底2，結構層1和基底2材料均為硅；結構層1包 括質量塊9、折疊梁7、驅動移動梳齒10和敏感移動梳齒5 ；質量塊9通過折疊梁7懸置于 基底2的錨點8之上，質量塊9上連接有驅動移動梳齒10，它與置于基底2上的驅動固定梳 齒12相應，兩者構成驅動裝置，驅動裝置在y方向，即陀螺的驅動方向上產生驅動力，從而 帶動質量塊9沿y方向運動；敏感移動梳齒5也連接在質量塊9上，它與置于基底2上的敏 感固定梳齒4相應，兩者在xoy平面上的投影成一定的角度θ重疊，θ =0. Olrad ；敏感固 定梳齒4的高度為30um，寬度為W1 = 3um，敏感固定梳齒4之間的間隙為gl = 2um，敏感移 動梳齒5的高度為30um，寬度為W2 = 2um，敏感移動梳齒4之間的垂直距離為g2 = 2um，敏 感移動梳齒5在ζ方向的最低點與敏感固定梳齒4的最高點的距離為lOum，以形成兩者之 間的相對運動空間。本實施例的基于反射式斜向莫爾條紋位移檢測的微機械陀螺的實現方法如下系統開啟后，微機械陀螺在靜電力的驅動下在驅動本文檔來自技高網...
【技術保護點】
一種基于反射式斜向莫爾條紋位移檢測的微機械陀螺，其特征在于：包括結構層（１）和基底（２），結構層（１）和基底（２）材料均為半導體材料；所述結構層（１）包括質量塊（９）、撓性梁（７）、驅動裝置和敏感移動梳齒（５）；質量塊（９）通過撓性梁（７）懸置于基底（２）的錨點（８）之上，質量塊（９）上連接有驅動裝置，驅動裝置在ｙ方向，即陀螺的驅動方向上產生驅動力，從而帶動質量塊（９）沿ｙ方向運動；敏感移動梳齒（５）也連接在質量塊（９）上，它與置于基底（２）上的敏感固定梳齒（４）相應，兩者在ｘｏｙ平面上的投影成一定的角度θ重疊，０＜θ≤１°；同時敏感移動梳齒（５）在ｚ方向的最低點高于敏感固定梳齒（４）的最高點，以形成兩者之間的相對運動空間；敏感固定梳齒（４）的寬度為ｗ↓［１］，兩個敏感固定梳齒（４）之間的間隙為ｇ↓［１］；敏感移動梳齒（５）的寬度為ｗ↓［２］，兩個敏感移動梳齒（５）之間的垂直距離為ｇ↓［２］；他們之間滿足關系式：ｗ↓［１］＋ｇ↓［１］≠ｗ↓［２］＋ｇ↓［２］；同時激光光源（３）的波長λ與梳齒之間的間隙以及梳齒的寬度之間的關系滿足：０＜ｗ↓［１］＋ｇ↓［１］≤１０λ，０＜ｗ↓［２］＋ｇ↓［２］≤１０λ。...
【技術特征摘要】
【專利技術屬性】
技術研發人員：苑偉政，謝中建，常洪龍，付乾炎，呂湘連，
申請(專利權)人：西北工業大學，
類型：發明
國別省市：87
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