微机电光导干涉陀螺制造技术

微机电光导干涉陀螺，包括响应哥氏力的振动部分（１）和对振动的光学测量部分，振动部分（１）由振子（３）、振子激振装置（４）和基底（２）构成，振子由梁支撑在基底上，振子与基底之间有间隙，振子激振方向平行于基底，振子相对基底面有全反射面（５）；基底相对于振子面有平行于反射面的半反射面（６），基底上有激光源（７）和感光元件（８），两者分别连接至分光器（９），分光器连接到具有半反射面的单模光纤或光导（１０）。本陀螺既能微型化又能有高的灵敏度。本发明专利技术首次在世界上推导出光强和角速度的一般关系是（见式）。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种陀螺，特别涉及一种微机电光导干涉陀螺。
技术介绍
微机电的发展就是传感器的小型化过程，这在压力传感器、加速度传感器件等的应用中已经得到实现。但是对现有的Sagnac型光纤陀螺仪来说，小型化已经变为发展的瓶颈。由于光纤陀螺仪的测量灵敏度决定于内部传输光纤的长短，所以在实际应用需要长达几公里的光纤，但光纤过长又会带来相应的损耗和过大的噪声。为了使陀螺仪进入小型化，就必须克服对光程长度的依赖。而在另一方面，电容式微机电陀螺仪却已经达到小型化集成化的要求。它通过哥氏力来改变两电极板之间的距离，造成电容的变化，进而转化成角速度的大小。虽然，这种设计适于小型化微型化，而且也已经被应用。但是，系统本身也有不可克服的缺陷，例如在灵敏度，锁定(Lock-in)现象的克服等方面。如何在陀螺小型化的基础上，提高测量精度和敏感性已经成为目前科研和工业化的急需解决的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的，在于提供一种具有高灵敏度无需长光纤、没有锁定(Lock-in)现象且结构简单成本低适于小型化的微机电光导干涉陀螺。为实现上述目的，本专利技术的微机电光导干涉陀螺，包括响应哥氏力的振动部分和对振动的光学测量部分，其特征是所述的振动部分由振子、振子激振装置和基底构成，振子由梁支撑在基底上，振子与基底之间有间隙，振子激振方向平行于基底，振子相对基底面有全反射面；所述的基底相对于振子面有平行于反射面的半反射面，基底上有激光源和感光元件，两者分别连接至分光器，分光器连接到具有半反射面的单模光纤或光导。所述的振子及激振装置为梳妆电极型。所述的梁为微振动梁。所述的振子表面应用铝或金形成全部或局部的全反射面。所述的振子及梳妆电极外有真空封装。所述的振子形状具有对称性。如此，振子和基底就组成一个最简单的光导干涉仪，激光源所发之光照射到基底的半反射面时部分光被反射，形成干涉光1；另一部分光透过半反射面被振子上的全反射面反射后形成干涉光2；这两束干涉光通过单模光纤或光导、分光器形成光的干涉并被感光元件测出。振子的移动将产生干涉光强的重新分布，从而反映出振子的移动距离。振子激振装置驱动振子沿X方向振动，当安装在被测物体上的本陀螺随着被测物体绕Y轴转动时，将产生Z方向的哥氏力，哥氏力又作用在振子使其产生相对于基底的垂直运动，即改变了振子与基底之间也即半反射射面和全反射面之间的间隙。此间隙的改变量将引起光干涉能量的从新分布，通过精确测量光强能量分布可推导出哥氏力的大小，而哥氏力又与角速度有关系，从而可测量出物体的角速度。本专利技术主要是利用光导干涉原理来测量由角速度产生的哥氏力，当然，干涉仪不能直接测量力的大小，所以我们将对哥氏力大小的测量转化成对由哥氏力推动的质量块的移动距离的测量。由于干涉仪是很精确的一种位移测量仪，随着光源、光导、感光元件等光学器件的小型和低成本化，光学部分可集成在基底中来缩小体积，它们之间全部可用光导连接，将检测电路部分安排在基底下表面，应用光学原理来测量微小位移变化，提高精度，缩小了移动空间，抛弃了用延长光纤光程的办法来产生光程差，同时将电容式微机电陀螺仪的测量部分改为光学干涉检测，极大地提高了测量精度。附图说明下面结合附图及具体实施例对半专利技术作进一步的详细说明。图1为本专利技术实施例的结构原理示意图。图2为沿图1的A方向的示意图。图3为哥氏力原理示意图。图4为实施例的纵剖面构造原理示意图。图中1-驱动振荡部，2-基底，3-振子，4-梳妆电极，5-全反射面，6-半反射面，7-激光源，8-感光元件，9-分光器，10-单模光纤，11-真空封装。具体实施例方式如图1至图4所示，本专利技术的微机电光导干涉陀螺，包括响应哥氏力的振动部分和对振动的光学测量部分，振动部分1由振子3、振子激振装置4和基底2构成，振子由微振动梁支撑在基底上，振子与基底之间有间隙l0，振子激振方向平行于基底，振子相对基底面有全反射面5；基底2相对于振子面有平行于反射面的半反射面6，基底上有激光源7和感光元件8，两者分别连接至分光器9，分光器连接到具有半反射面的单模光纤或光导10。图2显示振子及激振装置为梳妆电极型，所述的振子表面应用铝或金形成全部或局部的全反射面，振子及梳妆电极外有真空封装11，振子形状具有对称性，以减少阻尼，提高振子的品质因子Qy。在新型的陀螺仪中我们放弃实用原有的Sagnac光学效应，近而改用光导干涉原理。这部分由微机电系统制造技术来实现系统的小型化。主要部分振子由四梁结构的微振动梁支撑，在振子表面有全反射层，在振子两侧有梳妆电极，用来驱动振子。参照图2，驱动电极在X方向上提供一交流驱动电压，使振子在X方向获得小位移振动，因为要想在转动时产生较大的哥氏力就必须提供X方向的运动，梳妆电极就用来使振子产生这个运动。当系统(也即基底和振子)围绕Y轴转动时，将在Z方向产生哥氏力，哥氏力将推动振子在Z方向振动，在Z方向上的振动幅度和频率，X方向的振动振幅和频率，与角速度有相应的数学表达式。光学测量部分在光学测量部分，我们采用了光干涉原理，它是高精确测量的方法，常被应用于微小距离。由于振子在Z方向振动，问题就转化为对振动振幅的测量。微结构的振子和单模光导或光纤就组成了一个简单光干涉仪。光照射到具有半反射面的单模光导或光纤被部分反射，形成干涉光R1；部分光透过半反射面被振子的全反射面反射形成干涉光R2；这两束干涉光形成干涉光强分布，振子的移动将产生干涉光强的重新分布，反映出上表面的移动距离，从而可通过测移动来测转动角速度。本专利技术属于原创性专利技术，因为在世界上第一次推导出微机电陀螺的核心传感方程，即光强分布I(t)和角速度Ω的一般关系是I(t)=cos(4πl0λ+Ω4πλxmaxQyλωysin(ωdt))]]> 其线性化后变成I(t)={4πxmaxQyλωysin(4πl0λ)sin(ωdt)}Ω]]>式中I(t)-光强，Ω-系统角速度，xmax-驱动方向的最大振幅，Qy-哥氏加速度方向的品质因子，l0-光干涉腔长，ωy-哥氏加速度方向的振动频率，ωd-驱动的频率，λ-光波长。系统整合在制造方面，我们要将振动部分和光学部分集成在一起。具体讲将光源、感光元件、分光器等光学部分集成在基底中来缩小体积，它们之间全部用光导连接。将检测电路部分安排在基底下表面。振子由振动梁支撑，与封装外壳相连，振子的光全反射面与具有半反射面的单模光导或光纤之间形成光导振动干涉腔。本专利技术结合了现有微机械陀螺仪和光导干涉陀螺的优势测量微小位移变化，提高精度，缩小了移动空间。技术上彻底抛弃了用延长光纤光程的办法来产生光程差的Sagnac方法；有以下优点1.结构简单，适于微机电系统的加工流程，适于微型化、可批量生产、成本低。2.用光干涉来替代了电容测量，避免了锁定(Lock-in)效应，扩大了量程。3.有效的提高了响应时间和灵敏度等参数。4.输出光强与角速度呈线性变化。5.适于3轴集成。本文档来自技高网...

【技术保护点】
微机电光导干涉陀螺，包括响应哥氏力的振动部分（１）和对振动的光学测量部分，其特征是：所述的振动部分（１）由振子（３）、振子激振装置（４）和基底（２）构成，振子由梁支撑在基底上，振子激振方向平行于基底，振子与基底之间有间隙，振子相对基底面有全反射面（５）；基底相对于振子面有平行于反射面的半反射面（６），基底上有激光源（７）和感光元件（８），两者分别连接至分光器（９），分光器连接到具有半反射面的单模光纤或光导（１０）。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：孙博华，张渤，
申请(专利权)人：孙博华，
类型：发明
国别省市：81[中国|广州]