阅读说明：本技术 一种微机电光悬浮旋转微粒子陀螺 (Micro-computer electro-optical suspension rotary microparticle gyroscope ) 是由 吴宇列 肖定邦 吴学忠 李兰 席翔 张勇猛 路阔 于 2019-10-22 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种微机电光悬浮旋转微粒子陀螺,包括自上而下依次间隔设置的上基片、主基片和下基片,上基片下部设有悬浮检测光电传感器；主基片中部开设有安装通孔和位于主基片上的检测光电传感器系统、光波导系统和检测激光源系统,安装通孔内安装有真空腔,下基片上部设有悬浮激光源、显微物镜和1/4波片,1/4波片设置于显微物镜和悬浮激光源之间,显微物镜用于汇聚激光并靠近真空腔一侧设置；悬浮检测光电传感器和悬浮激光源分别位于真空腔的上、下方,真空腔内设有微粒子,微粒子在激光作用下悬浮于真空腔内。本发明具有体积小、精度高的优点。(The invention discloses a micro-electromechanical electro-optical suspension rotary microparticle gyroscope, which comprises an upper substrate, a main substrate and a lower substrate which are sequentially arranged from top to bottom at intervals, wherein a suspension detection photoelectric sensor is arranged at the lower part of the upper substrate; the middle part of the main substrate is provided with a mounting through hole, and a detection photoelectric sensor system, an optical waveguide system and a detection laser source system which are positioned on the main substrate, a vacuum cavity is mounted in the mounting through hole, a suspension laser source, a microscope objective and an 1/4 wave plate are arranged at the upper part of the lower substrate, a 1/4 wave plate is arranged between the microscope objective and the suspension laser source, and the microscope objective is used for converging laser and is arranged close to one side of the vacuum cavity; the suspension detection photoelectric sensor and the suspension laser source are respectively positioned above and below the vacuum cavity, and micro-particles are arranged in the vacuum cavity and are suspended in the vacuum cavity under the action of laser. The invention has the advantages of small volume and high precision.)

一种微机电光悬浮旋转微粒子陀螺

技术领域

本发明涉及陀螺仪技术以及微机电工艺技术，尤其涉及一种微机电光悬浮旋转微粒子陀螺。

背景技术

陀螺仪是测量载体相对惯性空间旋转运动的传感器，是运动测量、惯性导航、制导控制等领域的核心器件，在航空航天、智能机器人、制导弹药等高端工业装备和精确打击武器中具有非常重要的应用价值。由于陀螺精度直接决定了这些工业和武器装备的性能，因此高精度陀螺是关系国家工业和军事命脉的重要战略器件，西方国家对此实行了十分严格的禁运措施。

惯性导航和卫星导航是两种最主要的导航技术，其中卫星导航是目前最先进的导航技术，它可以提供全球范围内无漂移、高精度的实时导航信息，在军用和民用领域都有着十分广泛的应用。但是卫星导航信号一般较为微弱，在特殊和复杂环境下，如隧道、密林、室内、地下、水下等，卫星信号极易受到遮挡。传统的惯性导航技术已经发展比较成熟，在飞机、舰船、潜艇和导弹等装备上得到了广泛的应用。但是传统高精度的惯导设备体积庞大、成本高，且精度有限，长时间惯性导航累加误差大。而惯性导航技术最关键器件就是高精度陀螺，因此现代全自主导航技术对高精度、小体积的陀螺有着迫切的需求。

目前陀螺难以满足不依赖卫星全自主导航技术的需求。目前陀螺大体可以分为以下四种类型：一是机械转子类陀螺，主要包括液浮陀螺、静电陀螺、挠性陀螺等，这种陀螺是研究时间最长，也是精度最高陀螺，但这种陀螺加工难度大、体积大、成本高、可靠性较差。二是基于 Sagnac 效应的光学陀螺，主要包括激光陀螺和光纤陀螺，这类陀螺精度较高，无转动部件，可靠性较好，目前应用越来越多。但是光学陀螺精度受体积影响，难以小型化，且精度极限难以提升。第三类是基于哥氏力效应的振动类陀螺，特别是微机电系统（MEMS）振动陀螺结构简单、体积小、成本低，目前应用越来越广泛但这类陀螺精度较低，一般应用在中低精度导航和姿态测控领域。第四类是原子陀螺，这类陀螺的基本原理是基于原子的物质波干涉和原子自旋的定轴性。原子陀螺理论上具有超高的精度极限，但是其结构复杂，体积大，受外界因素影响大、制造困难。当前陀螺在高精度、小体积性能上不能满足高科技军事领域需求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种体积小、精度高的微机电光悬浮旋转微粒子陀螺。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种微机电光悬浮旋转微粒子陀螺，包括自上而下依次间隔设置的上基片、主基片和下基片，所述上基片下部设有悬浮检测光电传感器；所述主基片中部开设有安装通孔和位于主基片上的检测光电传感器系统、光波导系统和检测激光源系统，所述安装通孔内安装有真空腔，所述检测光电传感器系统、光波导系统设置于真空腔同侧且所述光波导系统位于真空腔和检测光电传感器系统之间，所述检测激光源系统设置于真空腔另一侧；所述下基片上部设有悬浮激光源、显微物镜和1/4波片，所述1/4波片设置于显微物镜和悬浮激光源之间，所述显微物镜用于汇聚激光并靠近真空腔一侧设置；所述悬浮检测光电传感器和悬浮激光源分别位于真空腔的上、下方，所述真空腔内设有微粒子，所述微粒子在激光作用下悬浮于真空腔内。

作为对上述技术方案的进一步改进：

所述微机电光悬浮旋转微粒子陀螺还包括压电陶瓷基片，压电陶瓷基片安装于真空腔上并靠近真空腔底部一侧设置。

所述真空腔包括上盖板、下底片和用于连接上盖板与下底片的侧壁，所述压电陶瓷基片安装于下底片上。

所述真空腔内设有吸气剂，所述吸气剂固定于上盖板上。

所述微机电光悬浮旋转微粒子陀螺还包括振动悬臂梁，所述真空腔通过振动悬臂梁与主基片连接。

所述下底片通过振动悬臂梁与主基片连接。

所述下基片上部还设有物镜支撑单元和波片支撑单元，所述物镜支撑单元和波片支撑单元分别用于支撑显微物镜和1/4波片。

所述检测光电传感器系统包括X向转轴检测光电传感器和Y向转轴检测光电传感器，所述光波导系统包括X向光波导和Y向光波导，所述检测激光源系统包括X向检测激光源和Y向检测激光源，所述X向光波导位于X向转轴检测光电传感器和真空腔之间，所述X向检测激光源与X向光波导相对设置，所述Y向光波导位于Y向转轴检测光电传感器和真空腔之间，所述Y向光波导与Y向光波导相对设置。

所述真空腔采用玻璃材料制备而成，所述上基片、主基片和下基片均采用硅质材料制备而成。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明的一种微机电光悬浮旋转微粒子陀螺是一种以MEMS工艺技术为基础，在主基片上通过将检测激光源系统、光波导系统、真空腔以及检测光电传感器系统等器件部分而得到的新型理论计算精度高达10^-11°/h 的高精度小体积陀螺。该陀螺的核心器件是处于激光作用下稳定悬浮于真空腔中的微粒子，依据激光的动量相互作用原理，微粒子在显微物镜汇聚后的形成的光强不等的光场中，在光梯度力的作用下稳定地悬浮于真空腔中，此时通过1/4波片作用后激光变成圆偏振激光，圆偏振激光作用于微粒子上，激光的旋转角动量发生变化，从而对微粒子产生作用力，使得微粒子在圆偏振激光的作用下实现旋转，由于真空中光悬浮微粒子阻尼非常小，旋转的微粒子可以达到极高的转速，最高可达1GHz，一般也可在1MHz以上，远高于常规机械转子的转速(几百Hz)。根据超高速旋转的物体具有良好的定轴性，在载体转动后仍然可以保持自身的旋转轴线不变，于是高速旋转的微粒子便实现了优异的定轴性，他的旋转轴线并不发生变化。此时通过检测出微粒子旋转轴线的空间姿态角，再根据超高速旋转微粒子的定轴性即可以获得运动载体的角度和角速度信息。

本发明悬浮于真空腔中的微粒子由于在没有激光作用时和真空腔底部内壁直接接触，在微观领域上，由于微粒子的尺度大小为几百纳米至几十微米，此时分子间的范德华力将成为一个不可忽视的因素，在激光作用的初始时刻，微粒子所受的范德华力将显著大于激光作用下的光阱力，为了保证微粒子在初始条件下能可靠地悬浮，所以对微粒子初始施加一个振动作用，使其能够摆脱范德华力的束缚，故将真空腔底部安装压电陶瓷基片（PZT），通过对压电陶瓷基片的高速振动带动真空腔的高速振动，从而使得真空腔中的微粒子在初始状态时摆脱范德华力的束缚，可靠地实现悬浮。

本发明的上基片下部设有悬浮检测光电传感器，用于检测微粒子位置和和频率信息，悬浮检测光电传感器通过接收来自通过微粒子的激光束，通过对激光幅值相位进行分析比较从而得到得出微粒子在真空腔中的位置和频率信息。

本发明中，当微粒子稳定悬浮在真空腔之后，再添加1/4波片，激光会变成圆偏振态激光。在该圆偏振态激光的作用下陀螺中的微粒子便开始高速旋转，使用一束圆偏振激光光束经过光阱力系统以后形成旋转光学势阱，驱使微粒子作高速旋转，从而实现陀螺中微粒子的光致旋转，达到对陀螺中微粒角速度操纵和控制的目的。

本发明的下基片上设有悬浮激光源、显微物镜和1/4波片，集悬浮和旋转功能为一体，可以可靠地保证真空中的微粒子在稳定旋转之后实现高速甚至超高速旋转，对于下基片与主基片之间的间隔距离需要根据实际需要具体控制以实现最佳的性能。

载体发生旋转时，载体中超高速旋转的微粒子由于定轴性其旋转轴线会保持不变，从而导致旋转轴线与载体的相对空间姿态角会发生改变。因此通过实时测量微粒子的空间姿态，并且通过微粒子的空间姿态角的变化就能反推解析出外界输入角速度的大小。实时测量微粒子的空间姿态是本发明高精度、小体积陀螺的关键。为了实现微粒子空间姿态角、旋转角速度的大小和方向的测量，本发明在主基片上分别设有检测激光源系统和与之分别相对应的检测光电传感器系统。通过检测激光束发射出的弱检测激光照射到悬浮状态下做超高速旋转的微粒子，在旋转微粒子的作用下，弱检测激光的幅值和频率会发生相应的变化，此时通过在主基片相对应的检测光电传感器系统接收照射过微粒子的弱检测激光，通过对接收到的弱检测激光的幅值、频率进行分析，经过与初始弱检测激光的幅值和频率进行对比便可以得出微粒的空间姿态角度，再过微粒子的空间姿态角的变化就能反推解析出外界输入角速度的大小。

本发明中，为了保证激光能够稳定地将微粒子悬浮于真空腔中，需要可靠的真空环境，保证可靠的真空度在真空腔内设有吸气剂。此时置于主基片的下方的下基片上集成了悬浮激光源，悬浮激光源置于主基片的真空腔的下方，通过开关控制悬浮激光源的工作，利用透过显微物镜的激光所具有的高度聚焦作用形成强度不等的光场，在光阱力的作用下将该微小颗粒稳定悬浮在光强最大的位置处，此时真空腔中的微粒子便可以稳定地悬浮于透明真空腔中。

附图说明

图1是本发明的原理图。

图2是本发明的主视图。

图3是本发明的立体结构示意图。

图4是上基片的主视图。

图5是上基片的立体结构示意图。

图6是主基片的主视图。

图7是主基片的立体结构示意图。

图8是主基片的立体结构示意图（移除真空腔）。

图9是真空腔的剖视图。

图10是下基片的主视图。

图11是下基片的立体结构示意图。

图12是图10中A处局部放大图。

图中各标号表示：

1、上基片；2、主基片；21、安装通孔；3、下基片；4、悬浮检测光电传感器；5、真空腔；51、上盖板；52、侧壁；53、下底片；54、吸气剂；6、检测光电传感器系统；61、X向转轴检测光电传感器；62、Y向转轴检测光电传感器；7、光波导系统；71、X向光波导；72、Y向光波导；8、检测激光源系统；81、X向检测激光源；82、Y向检测激光源；9、压电陶瓷基片；11、振动悬臂梁；12、悬浮激光源；13、微粒子；14、物镜支撑单元；15、显微物镜；16、1/4波片；17、波片支撑单元；18、激光。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，不过显而易见的是发明中所描述的实施例只是本发明中的一部分实施例，并不是本发明的全部实施例。可以肯定的是基于本发明中的实施例，只要是本领域技术人员在没有做出任何创造性劳动前提下所获得的任何其他实施例，都理应看作是本发明实施例的一部分，应当属于本发明的保护范围内。

如图1所示，本发明的工作原理，来自悬浮激光源12反射出的悬浮激光18，通过显微物镜15进行汇聚，在汇聚点位置形成光强不一的光场，在悬浮梯度力的作用下，将微粒子13稳定地悬浮，当微粒子13稳定悬浮后，通过添加1/4波片16更改悬浮激光源12的模态，驱动微粒子13高速甚至超高速旋转，实现陀螺效应，本发明的陀螺相较于传统的MEMS陀螺，体积将会明显地减少，同时还可以保证精度。

如图2至12所示，本发明的一种微机电光悬浮旋转微粒子陀螺，包括自上而下依次间隔设置的上基片1、主基片2和下基片3，上基片1下部设有悬浮检测光电传感器4；主基片2中部开设有安装通孔21和位于主基片2上的检测光电传感器系统6、光波导系统7和检测激光源系统8，安装通孔21内安装有真空腔5，检测光电传感器系统6、光波导系统7设置于真空腔5同侧且光波导系统7位于真空腔5和检测光电传感器系统6之间，检测激光源系统8设置于真空腔5另一侧；下基片3上部设有悬浮激光源12、显微物镜15和1/4波片16，1/4波片16设置于显微物镜15和悬浮激光源12之间，显微物镜15用于汇聚激光并靠近真空腔5一侧设置；悬浮检测光电传感器4和悬浮激光源12分别位于真空腔5的上、下方，真空腔5内设有微粒子13，微粒子13在激光18作用下悬浮于真空腔5内。

本发明核心装置是一个具有定轴性的超高速旋转微粒子13，结构器件少，因此具有超高的精度，而且还具有满足小体积的要求，具有十分广阔的应用前景和巨大的市场价值。上基片1、主基片2和下基片3是三个彼此独立又相互作用的部分，其中上基片1和下基片3分别实现面外的高功率的悬浮激光18的发射与检测。从悬浮激光源12中发射出来的激光18经过显微物镜15的汇聚作用形成光强不一致的光强，在面外形成焦点光阱，从而对微粒子13产生光梯度力的作用，微粒子13被稳定地悬浮于光强最大的点，在光梯度力的作用下微粒子13实现稳定地悬浮。1/4波片16主要是用于更改从悬浮激光源12中发射出来的悬浮激光18的模态，当微粒子13稳定悬浮后通过1/4波片16的作用实现微粒子13的高速乃至超高速旋转。上基片1上集成的悬浮检测光电传感器4置于真空腔5的正上方，通过检测照射到微粒子13的悬浮激光18的幅值和相位信息，经过信息的处理和分析，可以得到旋转微粒子13的位置和频率信息。

微机电光悬浮旋转微粒子陀螺还包括压电陶瓷基片9，压电陶瓷基片9安装于真空腔5上并靠近真空腔5底部一侧设置。压电陶瓷基片9用于克服悬浮初始时刻微观状态下微粒子13与真空腔5之间的范德华力对微粒子13的约束作用，通过振动压电陶瓷基片9对真空腔5实现一个高频振动，通过高频振动使得微粒子13克服范德华力的束缚。

如图9所示，真空腔5包括上盖板51、下底片53和用于连接上盖板51与下底片53的侧壁52，压电陶瓷基片9安装于下底片53上。真空腔5为了保证陀螺内部做超高速旋转的微粒子13能够在稳定的位置运动而避免微粒子13运动轨迹难以捕捉的现象发生。

本实施例中，真空腔5采用玻璃材料制备而成，将微粒子13置于一个透明真空腔5中，上盖板51、通过真空粘结剂与四块侧壁52紧密结合在一起，通过下底片53形成封闭、透明的真空腔5，此外通过MEMS刻蚀、氧化等其他微机电工艺也可以实现悬浮透明真空腔5。

真空腔5内设有吸气剂54，吸气剂54固定于上盖板51上，吸气剂54用于达到目标要求的真空环境，当真空腔5密封之后通过吸气剂54的作用便可实现真空环境。

在其他实施例中，可根据实验的条件和要求真空腔5的制作方式和流程可以进行相应的改进，制作真空腔5的过程中应该注意微粒子13的添加，注意不能污染真空腔5，避免造成对微粒子13运动的干扰，影响陀螺的精度和性能。

本实施例中，上基片1、主基片2和下基片3均采用硅质材料制备而成。

本发明的陀螺通过微机电技术，采用平面加立体复合制造工艺，在硅、玻璃等基片上加工出电子、机械和光学等器件，从而制造出陀螺的下基片3、主基片2和上基片1及集成于各基片上的零件，通过三基片的协调运作从而实现陀螺功能，集成度高、精度高。

微机电光悬浮旋转微粒子陀螺还包括振动悬臂梁11，真空腔5通过振动悬臂梁11与主基片2连接。本实施例中，在真空腔5两侧均采用振动悬臂梁11实现与主基片2的连接，振动悬臂梁11具有良好的疲劳特性，可以保证真空腔5在压电陶瓷基片9（PZT）的带动下做高频振动的时候与主基片2之间的可靠连接，并且不会影响到主基片2上集成机械、光学器件的性能。

本实施例中，下底片53通过振动悬臂梁11与主基片2连接。

本实施例中，压电陶瓷基片9可靠集成在真空腔5的下底片53上，通过压电陶瓷基片9（PZT）高频振动带动真空腔5的下底片53振动。

下基片3上部还设有物镜支撑单元14和波片支撑单元17，物镜支撑单元14和波片支撑单元17分别用于支撑显微物镜15和1/4波片16。

检测光电传感器系统6包括X向转轴检测光电传感器61和Y向转轴检测光电传感器62，光波导系统7包括X向光波导71和Y向光波导72，检测激光源系统8包括X向检测激光源81和Y向检测激光源82，X向光波导71位于X向转轴检测光电传感器61和真空腔5之间，X向检测激光源81与X向光波导71相对设置，Y向光波导72位于Y向转轴检测光电传感器62和真空腔5之间，Y向光波导72与Y向光波导72相对设置。X向与Y向垂直，X向检测激光源81与X向光波导71关于真空腔5相对设置，即真空腔5位于X向检测激光源81与X向光波导71之间，Y向光波导72与Y向光波导72关于真空腔5相对设置，即真空腔5位于Y向光波导72与Y向光波导72之间。

X向检测激光源81和Y向检测激光源82从两个方向的检测激光照射微粒子13，实现对其空间姿态的测量，检测激光照射高速旋转微粒子13后反生反射，其频率和幅值会发生变化，此时使用X向光波导71和Y向光波导72对对反射检测激光进行加强，再分别被X向检测激光源81和Y向检测激光源82采集，经过信号分析和处理可以确定高速旋转微粒子13旋转轴线的空间姿态角。当载体旋转时，根据检测光电传感器系统6、光波导系统7和检测激光源系统8得到的旋转微粒子13的空间姿态角可以得到载体的实施角速度和角度信息，从而实现陀螺功能。

本实施例中，对透明真空腔5的x、y、z三个方向可以同时使用激光（来自于X向检测激光源81、Y向检测激光源82、悬浮激光源12）照射，对其中的微粒子13实时进行操作控制将悬浮微粒子13的运动轨迹约束在真空腔5内部，避免了微粒子13运动轨迹的不确定性，达到更好地对其实施控制的目的。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。