基于莫尔条纹检测的离心式三轴角速率传感器制造技术

一种基于莫尔条纹检测的离心式三轴角速率传感器，主要结构包括上基板、定光栅层、敏感机构、下基板，上基板设置有四个光电探测阵列，敏感机构包括支撑框体、检测梁、连接梁、质量块、动光栅，定光栅层设置有四个定光栅，下基板设置有四个激光光源，质量块上设置动光栅，此装置结构无需驱动电路，采用离心力驱动质量块产生微位移，采用光学莫尔条纹检测微位移，结构合理紧凑，检测方便，检测精度高，灵敏度高，分辨率高，无正交误差、偏移输出等问题，测量精度较现有技术可提高一个数量级别，检测数据翔实、准确，可靠性好。

A centrifugal three axis angular rate sensor based on Moire fringe detection

A centrifugal moire fringe detection three axis angular rate sensor based on the main structure includes a substrate, a grid layer, light sensitive mechanism, substrate, on the substrate is provided with four photoelectric detector array, sensitive mechanism comprises a support frame, a detection beam and connecting beam, a mass block, a movable grating, optical grating layer there are four fixed grating, the lower substrate is provided with four laser light source, mass is arranged on the movable grating, this device structure without driving circuit, the drive block produced by centrifugal force micro displacement, using optical moire fringe detection of micro displacement, reasonable structure, compact structure, convenient detection, high detection accuracy, high sensitivity, resolution no, the quadrature error and offset output, compared with the existing technology can improve the measurement accuracy of a number of levels, accurate data, accurate detection, good reliability.

【技术实现步骤摘要】
基于莫尔条纹检测的离心式三轴角速率传感器
本专利技术涉及一种基于莫尔条纹检测的离心式三轴角速率传感器，属微惯性导航技术相关领域。
技术介绍
微机械角速率传感器是二十世纪八十年代初发展起来的军民两用高新技术，与传统的角速率传感器相比，它具有体积小、功耗低、成本低、易批量化生产、灵敏度高、抗过载能力强、动态范围大和可集成性好等优点，可嵌入电子、信息与智能控制系统中，使得系统体积和成本大幅下降，总体性能大幅提升，符合产品信息化发展方向.此外，随着MEMS技术的不断提高，测量全空间角速率的单片集成三轴角速率传感器已成为发展的必然趋势。目前，微机械角速率传感器主流方式是通过电容极板带动质量块谐振或角振动，但是由于加工工艺存在误差，使得角速率传感器无法达到最初设计时的对称性，由结构误差产生的驱动模态能量耦合到检测模态会直接使输出产生较大噪声，而补偿由加工带来的误差一般为表头放置检测模块由次级电路输出相应补偿，这样给次级处理电路设计带来巨大难题，成本较高。另外，谐振式微机械角速率传感器受到外部振动的干扰较大目前并未出现有效的片内解决方案。本设计采用离心力驱动质量块产生微位移，有效降低了由加工误差产生的正交耦合误差及由外部振动造成的输出失真。按照传感器检测方式的不同，微机械角速率传感器有电容检测式、压电检测式等多种类型。在众多检测方式中，以电容检测式发展最为迅速并成为主流检测方式。但是，传感器内部的寄生电容会对性能带来一定的影响，为了减小寄生电容的影响，对接口电路的检测精度和抗干扰能力提出了较高的要求。并且电容式微机械陀螺的量程与精度为一对矛盾无法兼顾，因此必须研制适应高新技术的能突破极限状态的全新的微机械角速率传感器，本设计采用的莫尔条纹检测离心力产生的微位移，就是一种既拥有高位移灵敏度，又可兼顾大量程的新型角速率传感器。目前莫尔条纹已经广泛用于精密位移测量、自动定位、跟踪测试和光学信息处理等领域，但在角速率传感器未见报道。现有技术中，一种基于电容检测方式的微机械离心式陀螺(申请号：CN201110190016.X)，本专利技术与之比较采用莫尔条纹检测方式，光栅细分电路的细分倍数及跟踪速度尚有很大提升空间，而电容检测的接口电路的分辨率已经处于检测极限，精度很难再往上提升；另外本专利技术设计的检测组合梁通过巧妙的梁设计可降低检测误差，结构简单，与其中心位置设有锚点，通过四组弹性梁连接四个质量块，在结构上完全不同，可以看出本专利技术的实用性和前景更加宽广。
技术实现思路
专利技术目的本专利技术的目的就是针对
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的不足，设计一种微型角速率传感器的低噪声的、用光学莫尔条纹进行检测的装置，以大幅度降低角速率传感器的噪声水平，使检测数据更加准确、翔实、可靠。技术方案本专利技术主要结构由：上基板1、动光栅层2、定光栅层3、下基板4、光电探测器10、检测梁2041、联接块2042、质量块203、动光栅200、上下基板凸台11、41、激光光源401、导线组成；上基板1通过上基板凸台11与动光栅层2粘结牢固，动光栅层2通过支撑框架21与定光栅层3上表面粘结牢固，定光栅层3下表面与下基板4通过下基板凸台41粘结牢固。所述上基板1为方形，材料为硅，前后左右对称设置四个光电探测器10，并粘结牢固，在第一光电探测器101左右分别设置导线，在第二光电探测器102前后分别设置导线。所述动光栅层2为方形，包括支撑框架21和检测机构，支撑框架21通过联接块2042与敏感机构连接，敏感机构设有检测机构204、205，质量块203，动光栅200，检测机构204、205通过检测梁2041与质量块203联接，质量块203中心位置设置动光栅200。所述检测机构204、205设有联接块2042，检测梁2041，其中检测梁2041、联接块2042串联构成折叠梁结构。所述定光栅层3为方形，在定光栅层3的前后左右对称设置定光栅301、302。所述的下基板4为方形，材料为硅，在下基板4的上表面前后左右对称设置四个激光光源40，并粘结牢固，激光光源40正负极由导线引出。有益效果本专利技术与
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相比具有明显的先进性，采用莫尔条纹光栅检测方式，四周质量块中央设置动光栅，由离心力引起的质量块带动光栅做面内移动，定光栅与动光栅之间的间距不变相对位置改变，光电探测器件接受到光强产生变化，使输出的电学特性发生变化，根据双层光栅衍射的光强变化量即可得到角速率的大小。双层光栅衍射的光强变化量即可得到角速率的大小。并能同时检测空间内三个轴向的角速率；该角速率传感器易于单片集成化、精度高、寿命长，适于推广应用。附图说明图1为本专利技术的整体结构示意图；图2为本专利技术的整体结构主视图；图3为本专利技术上基板结构示意图；图4为本专利技术上基板仰视图；图5为本专利技术动光栅层结构示意图；图6为本专利技术动光栅层俯视图；图7为本专利技术定光栅层结构示意图；图8为本专利技术定光栅层俯视图；图9为本专利技术下基板结构示意图；图10为本专利技术下基板俯视图；图11为本专利技术敏感机构结构示意图；图12为本专利技术敏感机构俯视图；图13为本专利技术检测机构俯视图；图14为本专利技术光栅结构示意图；图15为本专利技术光栅剖视图；图中所示，附图标记清单如下：1-上基板；2-动光栅层；3-定光栅层；4-下基板；10-光电探测器；11-上基板凸台；21-支撑框架；40-激光光源；41-下基板凸台；101-第一光电探测器；101a-探测器第一输入导线；101b-探测器第一输出导线；102-第二光电探测器；102a-探测器第二输入导线；102b-探测器第二输出导线；200-动光栅；201-第一敏感机构；202-第二敏感机构；203-质量块；204-第一检测机构；205-第二检测机构；301-第一定光栅；302-第二定光栅；401-第一激光光源；401a-光源第一输入导线；401b-光源第一输出导线；402-第二激光光源；402a-光源第二输入导线；402b-光源第二输出导线；2001-动光栅栅线；3001-定光栅栅线；2041-检测梁；2042-联接块；a-动光栅栅线狭缝；b-定光栅栅线狭缝；c-光栅间隙。具体实施方式下面详细描述本专利技术的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本专利技术，而不能理解为对本专利技术的限制。在本专利技术的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“中央”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的组合或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利技术的限制。在本专利技术的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本专利技术中的具体含义。如图1所示，为本专利技术所提供的莫尔条纹离心式三轴角速率传感器，所述三轴角速率传感器包括一个上基板1、一个动光栅层2、一个定光栅层3、及一个下基板4，本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于莫尔条纹检测的离心式三轴角速率传感器，其特征在于，所述离心式三轴角速率传感器包括：上基板、动光栅层、定光栅层及下基板，所述上基板、动光栅层、定光栅层及下基板依次叠层布置；所述离心式三轴角速率传感器还包括莫尔条纹检测单元，所述莫尔条纹检测单元包括：光电探测器、动光栅、定光栅、及激光光源，所述光电探测器、动光栅、定光栅及激光光源分别设置在所述上基板、动光栅层、定光栅层及下基板上，同一个莫尔条纹检测单元内，所述光电探测器、动光栅、定光栅、及激光光源置于同一竖直线上；所述动光栅布置在质量块上，所述质量块通过检测机构连接在动光栅层上；所述动光栅的光栅布置方向与所述定光栅布置方向在同一水平面上存在角度。

【技术特征摘要】
1.基于莫尔条纹检测的离心式三轴角速率传感器，其特征在于，所述离心式三轴角速率传感器包括：上基板、动光栅层、定光栅层及下基板，所述上基板、动光栅层、定光栅层及下基板依次叠层布置；所述离心式三轴角速率传感器还包括莫尔条纹检测单元，所述莫尔条纹检测单元包括：光电探测器、动光栅、定光栅、及激光光源，所述光电探测器、动光栅、定光栅及激光光源分别设置在所述上基板、动光栅层、定光栅层及下基板上，同一个莫尔条纹检测单元内，所述光电探测器、动光栅、定光栅、及激光光源置于同一竖直线上；所述动光栅布置在质量块上，所述质量块通过检测机构连接在动光栅层上；所述动光栅的光栅布置方向与所述定光栅布置方向在同一水平面上存在角度。2.根据权利要求1所述的基于莫尔条纹检测的离心式三轴角速率传感器，其特征在于，所述离心式三轴角速率传感器呈正方体结构；所述莫尔条纹检测单元的数量为四个，分别置于所述正方体结构的四个侧边上。3.根据权利要求1所述的基于莫尔条纹检测的离心式三轴角速率传感器，其特征在于，所述上基板的四个角落处面向动光栅层的一侧上分别延伸出上基板凸台，所述上基板凸台的数量为四个，所述上基板凸台将所述上基板支撑在所述动光栅层上侧面；所述上基板的光电探测器包括两个过中心轴向方向上的第一光电探测器，两个所述第一光电探测器在竖直方向相互对应设置，并分别设置在上基板边侧的中心位置上；所述光电探测器还包括第二光电探测器，两个所述光电探测器在水平方向上相互对应设置，并两个所述第二光电探测器的连线与两个所述第一光电探测器的连线相互垂直；两个所述第二光电探测器同样分别设置在所述上基板边侧的中心位置处；所述第一光电探测器分别连接探测器第一输入导线，及探测器第一输出导线，所述输入及输出位置可置换；所述第二光电探测器分别连接探测器第二输入导线，及探测器第二输出导线，所述输入及输出位置可置换。4.根据权利要求3所述的基于莫尔条纹检测的离心式三轴角速率传感器，其特征在于，所述动光栅层与所述上基板的整体形状一致，所述动光栅层的四个角落处具有向下延伸的支撑框架，所述支撑框架与所述上基板凸台的位置相互对应；所述动光栅层的任意一组相对两边上分别设置有第一检测机构，及另外一组相对两边上分...

【专利技术属性】
技术研发人员：李孟委，梁洲鑫，耿浩，李秀源，吴倩楠，
申请(专利权)人：中北大学，
类型：发明
国别省市：山西,14