[發明專利]一種減小交叉耦合串擾的納米光柵三軸MEMS陀螺

有效

• 申請號: 202111170211.6
• 申請日: 2021-10-08
• 公開（公告）號: CN113916208B
• 公開（公告）日: 2023-03-17
• 發明（設計）人: 金麗;王策;李晉華;辛晨光;李孟委
• 申請（專利權）人: 中北大學
• 主分類號: G01C19/5621
• 分類號: G01C19/5621
• 代理公司: 太原榮信德知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 14119
• 代理人: 楊凱;連慧敏

本發明屬于納米光柵三軸MEMS陀螺技術領域，具體涉及一種減小交叉耦合串擾的納米光柵三軸MEMS陀螺，包括上層光柵、下層光柵、驅動磁體、底座，所述上層光柵、下層光柵、驅動磁體均設置在底座內，所述上層光柵設置在下層光柵上，所述下層光柵設置在驅動磁體上。本發明通過使用SOI加工方案，同時將陀螺結構實現高度對稱的狀態，使得x,y軸光柵陀螺的重心位于結構的中心處，有效的避免了交叉耦合對三軸陀螺測試帶來的影響，提高了光柵陀螺的靈敏度。同時本發明采用陽極鍵合和SOI加工工藝，可以實現對面內雙層光柵之間的距離精確控制，提高了三軸陀螺的靈敏度。

技術領域

本發明屬于納米光柵三軸MEMS陀螺技術領域，具體涉及一種減小交叉耦合串擾的納米光柵三軸MEMS陀螺。

背景技術

微慣性系統由微機械陀螺和微機械加速度計兩部分組成，而微機械陀螺主要用于測量物體的角速度大小。相對于傳統的傳感器，MEMS陀螺憑借著體積小、功率小、重量輕、可批量生產、價格低、抗過載能力強和可集成的獨特優點發展迅速。在制導、無人機等軍用領域和汽車導航、海上定位等民用領域有十分重要的應用價值。

目前研究的大多數的微機電陀螺是以電容檢測方式為主，電容式測量雖然可以很好的兼容IC電路，但是限于其下拉效應與寄生電容的影響使得電容檢測方式無法做到高精度高靈敏度；尤其在單片集成三軸時寄生電容影響因素尤為明顯。而利用光學的測量方案具有抗電磁干擾、大動態范圍和反應快速等優勢，可以實現更高精度的測量。因此光學測量方式逐漸成為MEMS陀螺微弱科氏力檢測的主要方式。光柵作為一種重要的光學元件，常被用于光學測量納米量級等極小的尺寸，而光柵的近場存在泰伯效應，利用泰伯效應可以很好地應用到MEMS光柵陀螺的微弱信號檢測上。同時光柵具有制作成本低、易于集成等優點，因此將納米光柵用于MEMS陀螺微弱科氏力檢測有巨大的潛力。

由于目前大多數機構研究的是單軸陀螺，對于三軸陀螺研究較少，本發明提出了一種三軸MEMS陀螺結構，可以實現對物體的X、Y、Z三個方向上的角速率的測量。納米光柵陀螺常用于角速度測量領域，對靈敏度有著嚴格的要求，結構中雙層光柵間的距離對靈敏度會產生巨大的影響。根據泰伯效應可知，當雙層光柵之間的距離為泰伯距離時，可以極大的提高輸出光強，從而提高陀螺的靈敏度。但目前大多數的陀螺加工采用的是對硅基刻蝕，而這種方法由于加工誤差等因素的影響，很難保證兩光柵之間的平行度和之間的距離，會對陀螺的靈敏度、成品率帶來極大的影響。并且在實際測量中，在加速度的作用下，陀螺受交叉耦合串擾的影響，對微光柵陀螺的精度產生巨大的影響。

發明內容

針對上述的技術問題，本發明提供了一種測量精度高、靈敏度高、誤差小的減小交叉耦合串擾的納米光柵三軸MEMS陀螺。

為了解決上述技術問題，本發明采用的技術方案為：

一種減小交叉耦合串擾的納米光柵三軸MEMS陀螺，包括上層光柵、下層光柵、驅動磁體、底座，所述上層光柵、下層光柵、驅動磁體均設置在底座內，所述上層光柵設置在下層光柵上，所述下層光柵設置在驅動磁體上。

所述下層光柵包括檢測z軸角速度陀螺、檢測y軸角速度陀螺、檢測x軸角速度陀螺，所述檢測z軸角速度陀螺、檢測y軸角速度陀螺、檢測x軸角速度陀螺并列設置。

所述檢測z軸角速度陀螺采用面內運動式陀螺，所述檢測z軸角速度陀螺包括檢測梁、第一下層檢測光柵、第一調整電極、第一驅動梁、第一基底、第一質量塊，所述第一基底的四角固定有第一驅動梁，所述第一驅動梁連接有檢測梁，所述第一質量塊四周固定有檢測梁，所述第一下層檢測光柵固定在第一質量塊上，所述第一下層檢測光柵兩側設置有第一調整電極。