[发明专利]基于重力梯度测量的面内式MEMS隧穿姿态敏感器

说明书

本发明公开了属于角度测量的惯性传感器技术领域的一种基于重力梯度测量的面内式MEMS隧穿姿态敏感器。该面内式MEMS隧穿姿态敏感器由敏感模块、斧形针尖、可动电极模块组成；其中，敏感模块由柔性梁和质量块组成；可动电极模块由连接针尖结构，驱动疏齿，反馈疏齿，四支撑梁组成；并整体置于隔离罩内；然后隔离罩固定在地面单轴转台上，地面单轴转台绕转动轴转动，形成隧穿姿态敏感器测量系统。本发明具有高精度微小位移检测功能，能在保持现有MEMS星载姿态敏感器测角精度的同时实现一体化加工，大大减小传感器的尺寸及组装难度。

技术领域

本发明属于角度测量的惯性传感器技术领域，特别涉及一种基于重力梯度测量的面内式MEMS隧穿姿态敏感器。

背景技术

从20世纪70年代至今，国际上重力梯度仪的基本原理有差分加速度计法和基于扭矩测量的方法。由于其具备测量速度快、精度高等优点，目前国际上已经实现应用的星载重力梯度仪多数是基于加速度计的方案。由于重力梯度测量的重要性，美国海军和空军从20世纪70年代开始，投入几亿美元进行重力梯度仪的研制。

基于MEMS技术领域的空间重力梯度属于起步阶段。2009年荷兰屯特大学首次研制出基于MEMS加速度计的重力梯度仪，重力梯度测量精度可达1E/√Hz。这种重力梯度仪采用一个单独的晶圆构成，在这个晶圆上集成了两个MEMS加速度计，每个加速度计有两个梳状电容结构。该MEMS加速度计式重力梯度仪用作重力梯度的测量，还未被用来实现卫星的姿态确定。

2012年瑞士洛桑联邦理工学院基于MEMS技术，通过测量重力梯度扭矩设计惯性传感器，可在微重力条件下的测量纳米级位移，最终输出的姿态角精度达到10°。并于同年装载在学生探空火箭REXUS 11，完成了“地球重力梯度传感器”等多项星载实验。该传感器器采用差分电容的测试方案设计传感器。但是差分电容上下极板的位移限制了它的灵敏度。它最终只达到10°的精度。

申请号为201810744597.9，一种重力梯度仪及星敏感器的联合定姿方法中公开了建立角加速度测量模型，并基于卫星动力学方程，在重力梯度仪采样周期的时间区间内，由重力梯度仪测量值确定角速度增量。

申请号为ZL202010085996.6，基于重力梯度扭矩测量设计MEMS姿态传感器中，公开的敏感结构在地面设计转角测试平台，最终输出的姿态角精度达到4°。但是，传感器的针尖与敏感模块并没有实现MEMS的一体化加工，这就给组装传感器的位移检测系统带来困难。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于重力梯度测量的面内式MEMS隧穿姿态敏感器，其特征在于，所述面内式MEMS隧穿姿态敏感器微小位移检测模块由斧形针尖6与敏感模块5的下表面接触，斧形针尖6固定在传感器支架4方框的底面，可动电极模块7置于传感器支架4方框的底面，斧形针尖6垂直插入可动电极模块7中心的连接针尖结构71，并相互绝缘；敏感模块5竖直悬挂于传感器支架4方框的顶面上，位于斧形针尖6上方，构成隧穿式微小位移检测模块；并整体通过传感器支架4放置于隔离罩3内；敏感模块5连接到E₁直流电源1的正极，E₁直流电源1的负极与斧形针尖6连接；可动电极模块7的上下驱动疏齿分别连接到E₂直流电源2的正负级；然后隔离罩3固定在地面单轴转台9上面，地面单轴转台9的中央固定转动轴8，地面单轴转台9绕转动轴8转动，形成重力梯度测量系统；其中地面单轴转台是一台地面模拟卫星转动的平台，型号是SGT-3。

所述敏感模块的质量块52固定在柔性梁51两侧，使得柔性梁51纵向轴线与重力方向平行，组成敏感模块；敏感模块5斧形针尖6与可动电极模块7通过MEMS工艺实现一体化加工，并放置在传感器支架4上。

所述可动电极模块为驱动梳齿72和反馈梳齿73平行固定于连接针尖结构71上，四支撑梁74与平行固定在驱动梳齿72和反馈梳齿73之间。