一种新型腔光机械式微半球陀螺仪

技术领域

本发明属于惯性测量领域，特别涉及一种微陀螺仪。

背景技术

随着物联网的不断发展和微纳技术带来的低成本优势，惯性测量单元尤其是微陀螺仪在生物医学、工业生产、科研研究和国家安全等方面有着广泛且重要的应用。同时低成本、高性能的微陀螺仪在军民领域都有着重要的应用价值：可用于高精度探测、导航及定位等领域。

基于传统微机电系统(MEMS)技术的陀螺仪具有体积小、功耗低、成本低、可批量生产等特点，然而基于传统MEMS技术的微陀螺仪在测量稳定性、测量精度、满量程范围等性能指标上，以及在加工成本、器件体积、环境稳定性等方面有着各自的优缺点，且各性能指标相互制约，难以进一步通过传统MEMS技术突破其精度/稳定性-带宽相互制约限制，以及难以进一步突破其性能与成本相互制约的特点，导致其在发展上存在一定的技术瓶颈问题。而振动式MEMS陀螺仪是当前发展前景最好、应用最广泛的一类MEMS陀螺仪。近年来，通过材料和结构创新制造高性能振动式MEMS陀螺仪正成为主要发展趋势。目前，微半球谐振陀螺和嵌套环式MEMS振动陀螺是报道较多的最具发展潜力的新型振动式MEMS陀螺仪。嵌套环式MEMS振动陀螺主要采用单晶硅作为材料，结构制造采用平面微机械加工工艺，经温度补偿后的陀螺零偏稳定性为0.01°/h，初步达到了惯性级精度水平，但是单晶硅材料的热弹性阻尼限制了其性能提升的上限。此外，在结构层面，新型的非硅基三维微机械制造技术使超高灵敏度的微壳体谐振结构成为可能；在材料层面，熔融石英、金刚石、蓝宝石等高品质材料陆续被应用，改善了结构内部阻尼损耗及不对称性，从根本上提升了器件的性能上限。因此，集上述两方面优点于一身，基于熔融石英、金刚石、蓝宝石等高品质材料的微半球谐振陀螺在高性能微陀螺潜力上更具优势。

腔体光机械(Cavity Optomechanics)是一种在微纳尺度上存在光学腔体模式和机械振荡模式之间强耦合互作用效应的新型腔体结构，为近几年国内外快速发展的重点研究方向。腔体光机械结构中存在丰富的光物相互作用效应，可实现诸如量子基态冷却、量子纠缠、电磁诱导透明及慢波传播等独特物理现象，在经典物理、量子物理等基础领域具有重要科学研究意义；同时，腔体光机械结构在激光激励下能产生超稳的机械振荡信号、丰富的光学/机械多模式耦合，在精密仪器与精细测量、微纳光子学、电子与通信等工程领域具有重大的军事和民用应用需求。

基于腔体光机械结构的微弱参量探测器能达到接近量子噪声极限的探测分辨率特性，其在高精度微小位移探测应用中的探测灵敏度和带宽性能优于目前已报道的大部分实现方案，在探测灵敏度-空间分辨率性能中也具有明显优势。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出一种新型腔光机械式微半球陀螺仪，用腔体光机械结构代替传统的电容驱动与电容检测机构，使得本发明的陀螺仪具有体积小、结构简单、易于加工、高灵敏度、高分辨率等优点。

本发明采用的技术方案为：一种新型腔光机械式微半球陀螺仪，包括：微半球谐振子、矩形基板、腔光力系统；

微半球谐振子包括：半球壳体、环边、支撑杆、环形支撑梁，所述环边通过环形支撑梁与半球壳体相连，半球壳体通过支撑杆固定在矩形基板上；矩形基板长宽均大于环边外径；

沿环边在矩形基板上布置二氧化硅波导构成腔光力系统。

所述腔光力系统包括驱动模态腔光力系统与检测模态腔光力系统，驱动模态腔光力系统与检测模态腔光力系统中的二氧化硅波导数量相同。

驱动模态腔光力系统与检测模态腔光力系统中的二氧化硅波导数量取值为1或2或3或4。

驱动模态腔光力系统中的任意二氧化硅波导与检测模态腔光力系统中的任意二氧化硅波导之间的角度为45°、135°、225°中的一种。

微半球谐振子采用二氧化硅材料制成。

矩形基板采用石英材料制成。

半球壳体边缘与二氧化硅波导V形槽之间的距离记为第一缝隙,第一缝隙宽度范围为0.1-1μm。

半球壳体边缘与最近的裸露石英基板之间的距离记为第二缝隙，第二缝隙宽度范围为0.5-1.5μm。

本发明的有益效果：本发明设计出了一种新型的微半球陀螺仪，用腔体光机械结构代替传统的电容驱动与电容检测机构，显著提高了检测微弱角速度的能力，从而提高了角速度探测灵敏度；本发明的陀螺仪采用腔光力系统进行驱动与检测，其结构简单，区别于传统的电极驱动与检测不需要表面金属化，降低了整体加工难度；有效解决了传统微半球陀螺仪中存在的加工工艺复杂、制作成本高、成品率低、可靠性差等关键技术难题。本发明利用腔光力系统独有的光弹性效应提高微半球谐振子的机械品质因数。本发明设计出的新型腔光机械式微陀螺仪具有体积小、结构简单、易于加工、高灵敏度、高分辨率等优点。

附图说明

图1是本发明提供基于腔光力系统的新型微半球谐振陀螺仪结构示意图；

其中，(a)为基于腔光力系统的新型微半球谐振陀螺仪整体结构示意图；(b)为(a)中微半球谐振子部分结构示意图。

图2是本发明提供基于腔光力系统的新型微半球谐振陀螺仪分析示意图；

图3是本发明提供基于腔光力系统的新型微半球谐振陀螺仪工作原理示意图；

图4是本发明提供的基于腔光力系统的新型微半球谐振陀螺仪的驱动方向的机械谐振模式示意图；

图5是本发明提供的基于腔光力系统的新型微半球谐振陀螺仪的检测方向的机械谐振模式示意图；

图6是本发明提供的扩充正交腔光力系统的新型微半球谐振陀螺仪的示意图；

图7是本发明提供的基于腔光力系统的新型微半球谐振陀螺仪WGM谐振腔的光学谐振模式示意图。

具体实施方式

为便于本领域技术人员理解本发明的技术内容，首先对以下技术术语进行说明：

1、哥氏力

即科里奥利力(Coriolis force)，简称科氏力。哥氏力为其俗称，亦称哥氏惯性力。哥氏加速度是哥氏力的来源，哥氏加速度是由于质点不仅作圆周运动，而且也做径向运动或轴向运动所产生的。

2、进动(precession)

是指一个自转的刚体受外力作用导致其自转轴绕某一中心的旋转现象，这种现象称为进动，也叫做旋进。

下面结合附图对本发明内容进一步阐释。

如图1所示是腔光机械式微半球陀螺仪工作原理示意图。在力平衡工作模式下，当微半球谐振陀螺整体结构由于角速度运动而使陀螺谐振子相对石英基板进动时，控制腔光力系统实时施加反馈力，使得四波腹振型能够克服哥氏力而时刻与壳体保持一致，然后根据所施加的反馈力推算出微半球谐振陀螺仪的外加角速度。

如图1所示，微半球谐振子包括半球谐振子半球壳体、半球谐振子环边、半球谐振子支撑杆，所述微半球谐振子环边通过环形支撑梁与半球壳体相连，其中环形支撑梁一侧固定在半球壳体上，一侧固定在圆环上；微半球谐振子中央连接在一根圆柱型支撑杆一侧，所述微半球谐振子通过该支撑杆固定在矩形石英基板上；所述微半球谐振子环边的四周为二氧化硅波导与石英基板，且微半球谐振子与二氧化硅波导V形槽之间存在第一缝隙,第一缝隙宽度为d

如图1(a)中放大图所示，第一缝隙是半球壳体边缘(光腔)到二氧化硅波导V形槽(锥形波导)的距离，是光从波导耦合进光腔的通道，其距离大小会影响耦合效率。

如图1(a)所示，第二缝隙是半球壳体边缘(光腔)到距离最近的裸露石英基板之间的距离，第一缝隙宽度等于环边+环形支撑梁宽度，第二缝隙宽度大小会影响整体加工难度。

所述微半球谐振子半球体半径为20-150μm，厚度为1-5μm，谐振子中央支撑杆直径为8-12μm，支撑杆长度为150-200μm，约束长度为35-50μm，半球谐振圆环小半径为2-10μm；所述石英基板，长度为400-600μm，宽度为400-600μm，厚度为100-200μm；所述二氧化硅波导，其中两根长波导长度为200-300μm，宽度为2μm，短波导的长度为5-10μm，宽度为2μm。在球壳内圆角半径变大，各阶模态频率增大，杆轴向振动模态与球壳三阶弯曲振动模态交汇。球壳厚度增大，球壳二、三阶弯曲模态频率增大，其它模态频率减小，杆轴向振动模态与球壳弯曲模态交汇。球心距增大，各阶模态频率减小，球壳二阶弯曲模态与杆二阶弯曲振动模态交汇。外球面半径增大，球壳二、三阶弯曲模态频率增大，其余模态频率小。通过以上仿真结论可以根据自身系统所需要的模态频率来选择理想谐振子的结构参数，分析其对谐振子振动模态的影响规律，结合实际工程中对于球壳各阶谐振频率的要求，选出适合的结构参数降低加工时间与成本。

由结构力学相关理论可知，基于图2所示的典型微半球谐振陀螺仪示意图，在外界静电力驱动的条件下，其运动满足如下运动方程

其中q

A

如图2所示，主刚性轴坐标系统(x

当陀螺仪工作在开环模式时化简解得微半球谐振陀螺模态位移为：

其中C

为了获得较高的性能，微半球谐振陀螺通常工作在模态匹配的状态(ω

S

F

当微半球谐振陀螺工作在开环模式时，其检测位移不为零。微半球谐振陀螺的开环机械灵敏度定义为检测模态的位移幅度(C

由腔体光机械基本理论知，根据模式耦合理论，WGM腔中的光场强度a表示为：

其中△为激光失谐率，a

在波导与WGM腔之间距离d

其中，d

经过腔光力系统后的输出光强为：

其中P

在力平衡工作模式下，当微半球振动陀螺载体由于外加角加速度运动而使陀螺谐振子中振型相对壳体进动时，控制腔光力系统实时施加反馈力，使得四波腹振型能够克服哥氏力而时刻与壳体保持一致，然后根据所施加的反馈力推算出微半球谐振陀螺仪的角速度。这种模式适合转速较低的场合，能够提供非常高的测量精度。其测角本质是振型在力反馈作用下保持一种非进动状态，而反馈力的大小与载体运动角速度成正比。该验证原型机系统的力平衡模式拟采用三个控制环：频率控制环(参考相位控制环)用以跟踪微半球谐振子的固有频率；幅度控制环用于保持和控制驻波振动的幅度；速率控制环(力平衡回路)提供一个反馈信号，用于产生一个平衡力矩，控制振型方位角保持在谐振子上的固定位置。

在力平衡工作模式下，谐振子的振型必须在外力作用下保持一种非进动状态。故当载体发生角加速度运动使谐振子振型相对球壳进动后，需要力平衡(速率)控制回路振型能够克服惯性而与壳体保持一致。振动波腹的方位角需要维持在一个预先设定的位置，这个位置一般与0°腔光力系统对齐。力平衡控制回路就是要在存在外界角加速度输入的情况下将敏感振型抑制到零，从而将进动的振型拉回到原来预设的方向角，以使其在外力作用下保持一种非进动状态。而外界输入角速率的大小可以从此施加的控制力中解调得出。

参见图3，参见图3，8个腔光力系统都有数据处理模块(DSP),数据转换模块(数模转换器D/A、模数转换器A/D)、激光源(S)、光电探测器(PD)。高功率激光源S发射出激光，激光通过波导经过第一缝隙耦合进光学微腔；输出光耦合出光腔被光电探测器检测，经A/D转换为数字信号被DSP处理，并得到需要检测的角速度。基于处理得到的数据，经A/D再转换为模拟信号控制激光源，保证驱动振幅的稳定以及检测模态的相对静止。

图3中F

参见图4，利用有限元仿真软件COMSOl固体力学模块仿真谐振子半径为2.55mm,厚度为0.15mm的微半球谐振子，支撑杆总长度微4mm，约束长度为1.2mm，其二阶驱动模态的谐振频率为50194Hz。

参见图5，利用有限元仿真软件COMSOl固体力学模块仿真谐振子半径为2.55mm,厚度为0.15mm的微半球谐振子，支撑杆总长度微4mm，约束长度为1.2mm，其二阶检测模态与图4二阶驱动模态相差45°，二阶检测模态的谐振频率为50198Hz。驱动与检测模态的固有频率相差很小。

参见图6，在上述最简单的验证原型样机上，微半球谐振子由于加工工艺不完美，不可避免地带来一些误差，将会造成陀螺性能的严重下降。在这些误差中，谐振子质量不平衡，频率裂解以及阻尼不均匀是影响陀螺漂移的主要原因。质量不平衡将会使得主振型和敏感振型出现轻微地谐振频率不一致同时还会导致二阶振型地波形绑定现象地发生。质量地去除能够消除谐振子的质量不平衡，但依旧存在两个问题。1.此过程是某一温度条件下进行地，得到此温度条件下的质量平衡，但当温度改变时，平衡可能重新变得不平衡。2.谐振子工作在真空条件下，但质量平衡过程是在大气压条件下取得地，不同气压条件可能改变谐振子地平衡特性。因此，可以增加正交控制腔光力系统，对相应的腔光力系统进行控制来改变谐振子在某个方向上的刚度系数从而消除两个振型之间的频率裂解。

参见图7，利用有限元仿真软件COMSOl光学仿真模块，仿真半径为30μm,厚度为8μm的球壳光学模式，四周设置为完美匹配层，其中可以看出在球壳边缘有明显的光场能量聚集，其光学模式特征频率为288.13THz，光学Q值为4.5469*10^7。对球壳厚度5μm、3μm、1μm、0.5μm分别进行光学仿真，球壳厚度在3μm以上时特征频率几乎不会随着球壳厚度变化而改变，维持在288THz附近，光学Q值可以达到6*10^7；当球壳厚度太薄时，光学谐振频率会升高光学Q值也会下降。运用片上光电探测器检测光强，理论上转换率为0.6A/W，而I-V片上转换电路增益一般在60dB，运用上述公式对腔光机械式微半球谐振陀螺灵敏度进行计算，在检测位移为0.4nm/°/s、P

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。