[发明专利]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

说明书

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x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z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。

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n；