[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

本發明公開了屬于角度測量的慣性傳感器技術領域的一種基于重力梯度測量的面內式MEMS隧穿姿態敏感器。該面內式MEMS隧穿姿態敏感器由敏感模塊、斧形針尖、可動電極模塊組成；其中，敏感模塊由柔性梁和質量塊組成；可動電極模塊由連接針尖結構，驅動疏齒，反饋疏齒，四支撐梁組成；并整體置于隔離罩內；然后隔離罩固定在地面單軸轉臺上，地面單軸轉臺繞轉動軸轉動，形成隧穿姿態敏感器測量系統。本發明具有高精度微小位移檢測功能，能在保持現有MEMS星載姿態敏感器測角精度的同時實現一體化加工，大大減小傳感器的尺寸及組裝難度。

技術領域

本發明屬于角度測量的慣性傳感器技術領域，特別涉及一種基于重力梯度測量的面內式MEMS隧穿姿態敏感器。

背景技術

從20世紀70年代至今，國際上重力梯度儀的基本原理有差分加速度計法和基于扭矩測量的方法。由于其具備測量速度快、精度高等優點，目前國際上已經實現應用的星載重力梯度儀多數是基于加速度計的方案。由于重力梯度測量的重要性，美國海軍和空軍從20世紀70年代開始，投入幾億美元進行重力梯度儀的研制。

基于MEMS技術領域的空間重力梯度屬于起步階段。2009年荷蘭屯特大學首次研制出基于MEMS加速度計的重力梯度儀，重力梯度測量精度可達1E/√Hz。這種重力梯度儀采用一個單獨的晶圓構成，在這個晶圓上集成了兩個MEMS加速度計，每個加速度計有兩個梳狀電容結構。該MEMS加速度計式重力梯度儀用作重力梯度的測量，還未被用來實現衛星的姿態確定。

2012年瑞士洛桑聯邦理工學院基于MEMS技術，通過測量重力梯度扭矩設計慣性傳感器，可在微重力條件下的測量納米級位移，最終輸出的姿態角精度達到10°。并于同年裝載在學生探空火箭REXUS 11，完成了“地球重力梯度傳感器”等多項星載實驗。該傳感器器采用差分電容的測試方案設計傳感器。但是差分電容上下極板的位移限制了它的靈敏度。它最終只達到10°的精度。

申請號為201810744597.9，一種重力梯度儀及星敏感器的聯合定姿方法中公開了建立角加速度測量模型，并基于衛星動力學方程，在重力梯度儀采樣周期的時間區間內，由重力梯度儀測量值確定角速度增量。

申請號為ZL202010085996.6，基于重力梯度扭矩測量設計MEMS姿態傳感器中，公開的敏感結構在地面設計轉角測試平臺，最終輸出的姿態角精度達到4°。但是，傳感器的針尖與敏感模塊并沒有實現MEMS的一體化加工，這就給組裝傳感器的位移檢測系統帶來困難。

發明內容

本發明的目的是提供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隧穿姿態敏感器微小位移檢測模塊由斧形針尖6與敏感模塊5的下表面接觸，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，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，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。

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。

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與平行固定在驅動梳齒72和反饋梳齒73之間。