[發明專利]基于重力梯度測量的面內式MEMS隧穿姿態敏感器

有效

• 申請號: 202110149563.7
• 申請日: 2021-02-03
• 公開（公告）號: CN112964249B
• 公開（公告）日: 2023-01-10
• 發明（設計）人: 趙嘉昊;曹亞陸
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: G01C21/16
• 分類號: G01C21/16;G01C21/24
• 代理公司: 北京國林貿知識產權代理有限公司 11001
• 代理人: 李富華

1.一種基于重力梯度測量的面內式MEMS隧穿姿態敏感器，其特征在于，所述面內式MEMS隧穿姿態敏感器由敏感模塊(5) 、斧形針尖(6) 、可動電極模塊(7) 組成；其中斧形針尖(6)與敏感模塊(5)的下表面接觸；斧形針尖(6)垂直插入可動電極模塊(7)中心的連接針尖結構(71)，并相互絕緣；敏感模塊(5)豎直懸掛于傳感器支架(4)方框的頂面上；所述斧形針尖(6)固定在傳感器支架(4)方框的底面，可動電極模塊(7)置于傳感器支架(4)方框的底面；位于斧形針尖(6)上方，構成隧穿式微小位移檢測模塊；并整體通過傳感器支架(4)放置于隔離罩(3)內；敏感模塊(5)連接到E₁直流電源(1)的正極，E₁直流電源(1)的負極與斧形針尖(6)連接；可動電極模塊(7)的上下驅動疏齒分別連接到E₂直流電源(2)的正負級；然后隔離罩(3)固定在地面單軸轉臺(9)上面，地面單軸轉臺(9)的中央固定轉動軸(8)，地面單軸轉臺(9)繞轉動軸(8)轉動，形成重力梯度測量系統；其中地面單軸轉臺是一臺地面模擬衛星轉動的平臺，型號是SGT-3。

2.根據權利要求1所述的基于重力梯度測量的面內式MEMS隧穿姿態敏感器，其特征在于，所述敏感模塊的質量塊(52)固定在柔性梁(51)兩側，使得柔性梁(51)縱向軸線與重力方向平行，組成敏感模塊；敏感模塊(5)、斧形針尖(6)與可動電極模塊(7)通過MEMS工藝實現一體化加工，并放置在傳感器支架(4)上。

3.根據權利要求1所述的基于重力梯度測量的面內式MEMS隧穿姿態敏感器，其特征在于，所述可動電極模塊為驅動梳齒(72)和反饋梳齒(73)平行固定于連接針尖結構(71)上，四支撐梁(74)平行固定在驅動梳齒(72)和反饋梳齒(73)之間。

4.一種權利要求1所述的基于重力梯度測量的面內式MEMS隧穿姿態敏感器的姿態獲取測量方法，其特征在于，首先通過E₂直流電源(2)對可動電極模塊(7)加工作電壓，連接針尖結構(71)向上移動，帶動斧形針尖(6)向敏感模塊(5)的下表面移動，逐漸減小敏感模塊(5)下表面與斧形針尖(6)間的距離，直至達到穩定的靜態隧道電流，隧道電流閾值設為2nA；當敏感模塊(5)傾角隨著地面單軸轉臺(9)發生改變時，重力梯度差異會使得質量塊(52)的縱向軸線修正到垂線方向，即導致柔性梁(51)彎曲并隨著旋轉角的增大得到一個恢復力矩，該恢復力矩使得扭擺結構的兩端產生一段納米級位移；同時，該位移的改變引起隧道電流的指數級變化；通過調整具有隧穿效應的E₁直流電源(1)的電壓保持隧道電流穩定不變，將此時的電壓值帶入標定表中進行計算，以求出目標旋轉的角度值。