[发明专利]一种芯片核磁共振陀螺仪物理单元装置

说明书

技术领域

本发明涉及原子传感器领域，更具体涉及一种芯片核磁共振陀螺仪物理单元装置，它适用于研制芯片核磁共振陀螺仪的方法和系统。

背景技术

陀螺仪用来测量物体的转动和方向，它是惯性导航定位系统中最重要的传感器之一，为系统提供姿态和转动速率信息。采用微机电系统(Micro Electro Mechanical System，MEMS)技术，陀螺仪可以制成芯片级，具有尺寸小、功耗低等特点，越来越受到人们的关注。芯片陀螺仪在导弹、微小航行器导航有广泛应用需求。

目前广泛使用的芯片陀螺仪属于机械陀螺仪，然而芯片机械陀螺仪有长期漂移率大，对震动敏感等缺点，测量精度不理想。芯片核磁共振(Nuclear Magnetic Resonance，NMR)陀螺仪是采用NMR技术的芯片级原子陀螺仪，NMR陀螺仪长期漂移率小，且不包含运动部件，利用几乎不受外界干扰的原子惯性特性来测量旋转因此对震动不敏感，芯片级NMR陀螺仪不仅测量精度高、还具有体积小、功耗低、测量动态范围大等优点。

NMR陀螺仪的工作原理为：核自旋不为零的原子在静磁场中以拉莫尔进动频率自旋进动，该进动频率为ω₀＝γH₀，其中γ为原子自旋的旋磁比，H₀为陀螺仪提供的静磁场强度。原子自旋本身具有惯性系统特征，因此当陀螺仪以角速度ω_r转动时，拉莫尔进动频率将由ω_obs变为ω_obs＝γH₀-ω_r，通过γ、H₀和观测到的拉莫尔进动频率ω_obs就可确定陀螺仪的转动角速度ω_r。

实现NMR陀螺仪的技术方法：

(1)单个原子NMR信号非常弱，目前NMR陀螺仪通过探测大量原子的宏观平均行为，反映拉莫尔进动频率的NMR信号强度与原子的宏观磁极矩呈正比。NMR陀螺仪常用方案是采用一束与磁场同向的圆偏振强光束作为泵浦光对碱金属原子作极化抽运，通过极化的碱金属原子与惰性气体原子的碰撞传递磁极矩使惰性气体极化，通过测量极化的惰性气体原子宏观磁极矩获得陀螺仪的转动角速度ω_r。惰性气体原子宏观磁极矩会随着时间衰减，通常在原子蒸汽室中充入合适缓冲气体以减缓衰减速率。

(2)采用法拉第磁光旋转效应探测NMR信号是探测拉莫尔进动频率常用方案，该探测方案陀螺仪具有装置结构简单、所获信号信噪比高的优点。该探测方案除用强泵浦光对原子作极化抽运之外还用一束弱探测光与原子作用实施信号探测。探测光为线偏振光，在原子蒸汽室内探测光束与泵浦光束相互正交。探测过程中沿探测光方向施加交流磁场，交流磁场使得极化原子引起探测光偏振方向发生转动，利用偏振分束器提取探测光偏振变化的信息，通过偏振变化信息获得陀螺仪的转动角速度ω_r。

(3)法拉第磁光旋转效应方案通常设置很弱的H₀，使得γH₀和ω_r两量接近以利于测量，弱H₀导致准确确定它的值和保持它的稳定性均较困难。一种有效的方案是在原子蒸汽室中充两种旋磁比不同的惰性气体原子，通过分别测量同处于H₀中的这两种原子，得到ω_{obs_a}＝γ_aH₀-ω_r，ω_{obs_b}＝γ_bH₀-ω_r，联解两个方程抵消H₀自身误差和H₀起伏误差的影响。

NMR陀螺仪由物理单元和电路单元两个基本部分组成，物理单元包括光源、光学元件、原子蒸汽室和光电探测等。芯片级NMR陀螺仪需要通过MEMS工艺实现芯片NMR陀螺仪物理系统，虽然现已出现各种不同芯片NMR陀螺仪物理系统方案，但均存在各自问题：(1)MEMS原子蒸汽室普遍采用玻璃-硅-玻璃的三明治结构，泵浦光与探测光难以在光-原子作用区实现相互正交；(2)两光由两个独立的半导体激光器提供，分别对两个激光器实施温度控制、输出激光的频率和功率控制耗费资源多，另外两光性能独立变化，实施两光工作状态相互配合困难；(3)虽有出现硅-玻璃-硅三明治结构MEMS原子蒸汽室方案，可以实现泵浦光与探测光束在光-原子作用区相互正交，但却存在难以将光有效地耦合入原子蒸汽室的缺点。

发明内容