一种MOEMS陀螺谐振腔及调节谐振腔的微镜空间状态的方法

摘要

一种MOEMS陀螺谐振腔及调节谐振腔的微镜空间状态的方法，以解决在现有的调节MOEMS陀螺谐振腔的方法中存在一次加工成型难度较高、初始对准精度较低的问题。本发明的谐振腔基板的中间区域固定设置，边缘区域的上下两端分别设置有微镜和压电陶瓷片，用于使设置有压电陶瓷片的边缘区域根据压电陶瓷片产生的位移而产生形变；压电陶瓷片，设置在谐振腔基板的下端，用于根据施加的电压产生位移，使谐振腔基板产生形变。本发明通过在谐振腔基板边缘区域设置微镜和压电陶瓷片，压电陶瓷片产生位移使谐振腔基板产生形变调整微镜的俯仰角和偏转角，实现了一次加工成型工艺用于MOEMS陀螺谐振腔的制造，能够对陀螺的初始对准精度进行精确的调整。

权利要求

1.一种MOEMS陀螺谐振腔，其特征在于，包括：

谐振腔基板，所述谐振腔基板的中间区域固定设置，边缘区域的上下两端分别设置有微镜和压电陶瓷片，用于使设置有压电陶瓷片的边缘区域根据压电陶瓷片产生的位移而产生形变；

压电陶瓷片，设置在谐振腔基板的下端，用于根据施加的电压产生位移，使谐振腔基板产生形变。

2.根据权利要求1所述的谐振腔，其特征在于，所述微镜有四个，分别设置在以谐振腔基板的中间区域为中心的正方形的四个角上。

3.根据权利要求2所述的谐振腔，其特征在于，所述压电陶瓷片有三组，每组有两个，每两个压电陶瓷片分别并列设置在谐振腔基板的下端，并且与微镜设置在同一条与水平面垂直的轴线上。

4.根据权利要求3所述的谐振腔，其特征在于，所述的三组压电陶瓷片分别对应三个微镜，并且在所述的三个微镜中，第一个微镜为平面反射镜，第二个微镜为反射镜且镜面为凹面，第三个微镜为平面反射镜。

5.根据权利要求4所述的谐振腔，其特征在于第四微镜设置在谐振腔的入射端，并且第四微镜为具有半透半反特性的透射镜。

6.根据权利要求1至5任意一项所述的谐振腔，其特征在于，该谐振腔还包括：一个或多个抗震压电陶瓷片，分别设置在谐振腔基板下端的固定区域与设置有压电陶瓷片的边缘区域之间，用于提高所述MOEMS陀螺谐振腔的抗震效果。

7.一种调节权利要求1所述的MOEMS陀螺谐振腔的微镜空间状态的方法，其特征在于，包括：对压电陶瓷片施加电压，使压电陶瓷片产生位移，并使设置有压电陶瓷片的谐振腔基板的边缘区域产生形变；

根据检测到的反射光斑和循环光斑的位置调整加在压电陶瓷片上的电压，使谐振腔基板的设置有压电陶瓷片的边缘区域产生与水平面呈一定角度的形变，直至反射光斑与循环光斑重合。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述根据检测到的反射光斑和循环光斑调整加在压电陶瓷片上的电压包括：同步调整施加在每组的两个压电陶瓷片上的电压，使谐振腔基板的设置有压电陶瓷片的边缘区域产生与水平面呈一定角度的形变，以调整与这一组压电陶瓷片设置在同一条与水平面垂直的轴线上的微镜的俯仰角；

分别调整施加在每组的两个压电陶瓷片上的电压，使谐振腔基板的设置有压电陶瓷片的边缘区域产生与微镜面法矢量呈一定转动角度的形变，以调整与这一组压电陶瓷片设置在同一条与水平面垂直的轴线上的微镜的偏转角。

9.根据权利要求7至8任意一项所述的方法，其特征在于，该方法还包括：将一个或多个抗震压电陶瓷片设置在谐振腔基板下端的固定区域与设置有压电陶瓷片的边缘区域之间，以提高所述MOEMS陀螺谐振腔的抗震效果。

说明书

一种MOEMS陀螺谐振腔及调节谐振腔的微镜空间状态的方

法

技术领域

[0001] 本发明提供了一种MOEMS陀螺谐振腔及调节谐振腔的微镜空间状态的方法，属于激光和微光机电技术领域。

背景技术

[0002] 陀螺作为一种惯性仪表，按产生陀螺效应的原理不同，可以分为机械转子陀螺仪、振动陀螺仪、粒子陀螺仪和激光陀螺仪与光纤陀螺仪。其中光纤陀螺仪自1976年Vali和Shorthill提出后得到迅速发展，测量精度从最初的几十倍于地球自传速率(15°/h)提高到现在小于0.0001°/h的量级。随着MEMS(Micro-electro-mechanical Systems，微机电系统)技术的发展及逐渐成熟，从根本上打破了一直以来人们制造惯性器件的宏观壁垒，为陀螺的小型化提供了新的方法与研究思路。MEMS陀螺已经成为各国研究的热点，且已有相关产品问世。

[0003] 此时，建立在微机械技术及Sagnac效应基础上的微光机电(MOEMS-Micro-opto-electro-mechanical Systems；也称Optical MEMS)陀螺则显示了其明显的优势，由于其把微光学元件、微电子和微机械装置有机地集成在一起，是光机电一体的、微型化、集成化的惯性测量器件，所以MOEMS陀螺综合了光学传感器和微型化技术的优点，与光纤陀螺、激光陀螺相比，其体积小，重量更轻；与MEMS惯性器件相比，其灵敏度高，无运动部件，不需真空封装，抗电磁干扰能力强，可在一些恶劣环境下使用。

[0004] MOEMS陀螺可分为谐振式和干涉式两种，其中谐振式MOEMS陀螺是一种技术可行性较强的MOEMS陀螺，而谐振腔是传感的关键部件，其结构参数直接影响到MOEMS谐振陀螺谐振效应的效果和系统的极限精度。现有的谐振腔的调整普遍采用MOEMS空间一次加工成型法和分离式组装法，MOEMS空间一次加工成型法对制造工艺要求较高，而分离式组装法通过角度调整致动器采用压电陶瓷作为致动器件，利用角度致动器对谐振腔进行闭环调腔，实现空间谐振腔的调节，但难以提高初始对准精度。

[0005] 因此，在现有的调节MOEMS陀螺谐振腔的方法中，存在一次加工成型难度较高、初始对准精度较低的问题。

发明内容

[0006] 本发明提供了一种MOEMS陀螺谐振腔及调节谐振腔的微镜空间状态的方法，以解决在现有的调节MOEMS陀螺谐振腔的方法中，存在一次加工成型难度较高、初始对准精度较低的问题。

[0007] 一种MOEMS陀螺谐振腔，包括：

[0008] 谐振腔基板，中间区域固定设置，边缘区域的上下两端分别设置有微镜和压电陶瓷片，用于使设置有压电陶瓷片的边缘区域根据压电陶瓷片产生的位移而产生形变；

[0009] 压电陶瓷片，设置在谐振腔基板的下端，用于根据施加的电压产生位移，使谐振腔基板产生形变。

[0010] 一种调节谐振腔的微镜空间状态的方法，包括：

[0011] 对压电陶瓷片施加电压，使压电陶瓷片产生位移，并使设置有压电陶瓷片的谐振腔基板的边缘区域产生形变；

[0012] 根据检测到的反射光斑和循环光斑的位置调整加在压电陶瓷片上的电压，使谐振腔基板的设置有压电陶瓷片的边缘区域产生与水平面呈一定角度的形变，直至反射光斑与循环光斑重合。

[0013] 本发明通过在陀螺谐振腔基板的边缘区域的上下两端分别设置微镜和压电陶瓷片，并通过压电陶瓷片产生位移使谐振腔基板产生形变来调整微镜的俯仰角和偏转角，不但实现了一次加工成型工艺用于MOEMS陀螺谐振腔的制造，还能够在制造过程中对陀螺的初始对准精度进行精确的调整。

附图说明

[0014] 图1是本发明的具体实施方式提供的一种MOEMS陀螺谐振腔的结构示意图；

[0015] 图2是本发明的具体实施方式提供的谐振腔基板通过固定板与陀螺底座固定连接的结构示意图；

[0016] 图3是本发明的具体实施方式提供的微镜和谐振腔基板设置在陀螺底座上的结构示意图；

[0017] 图4是本发明的具体实施方式提供的压电陶瓷片和谐振腔基板设置在陀螺底座上的结构示意图；

[0018] 图5是本发明的具体实施方式提供的调整微镜的俯仰角和偏转角的原理示意图；

[0019] 图6是本发明的具体实施方式提供的一种调节谐振腔的微镜空间状态的方法的流程示意图；

[0020] 图7是本发明的具体实施方式提供的通过谐振腔基板的形变调整微镜的俯仰角和偏转角的示意图；

[0021] 图8是本发明的具体实施方式提供的在完成调节的谐振腔微镜空间状态示意图。

具体实施方式

[0022] 本发明的具体实施方式提供了一种MOEMS陀螺谐振腔，包括谐振腔基板和压电陶瓷片，谐振腔基板的中间区域固定设置，边缘区域的上下两端分别设置有微镜和压电陶瓷片，用于使设置有压电陶瓷片的边缘区域根据压电陶瓷片产生的位移而产生形变；压电陶瓷片设置在谐振腔基板的下端，用于根据施加的电压产生位移，使谐振腔基板产生形变。

[0023] 进一步地，相应的微镜有四个，分别设置在以谐振腔基板的中间区域为中心的正方形的四个角上。相应的压电陶瓷片有三组，每组有两个，每两个压电陶瓷片分别并列设置在谐振腔基板的下端，并且与微镜设置在同一条与水平面垂直的轴线上。该谐振腔还包括一个或多个抗震压电陶瓷片，分别设置在谐振腔基板下端的固定区域与设置有压电陶瓷片的边缘区域之间，用于提高装置的抗震效果。

[0024] 由于谐振腔的谐振深度和清晰度直接决定着光电探测器的探测精度和陀螺的测试精度，因此，谐振腔关键技术在于保证谐振腔具有最高的谐振清晰度，谐振深度。谐振清晰度F、谐振腔的谐振深度ρ、陀螺的极限灵敏度δΩ的计算公式分别为：

[0025]

[0026]

[0027]

[0028] 式中， R为输入输出镜的反射率；Rr为微镜的反射率；Δω＝2πΔf为激光器输出光谱线宽的角频率，Δf为激光器谱线宽度；τ为光在谐振腔中的渡越时间；λ为激光器中心波长；n0为每秒钟到达探测器的光子数；ηD为探测器量子效率；
τ′为探测器的积分时间。从上面的式子可得，对于谐振腔实现来说，输入输出镜和微镜反射率要求很高。谐振腔中的损耗直接影响谐振腔的清晰度以及陀螺的极限灵敏度。因此要求空间谐振腔具有精度高、可控性好、具备一定控制范围、能够达到反射镜偏差精度要求的调整方案和利用微加工工艺制作相互垂直的竖直微镜是MOEMS陀螺空间谐振腔实现的两项关键技术。为了更清楚的说明本实用新型的具体实施方式提供的一种MOEMS陀螺谐振腔，现结合说明书附图对该谐振腔进行详细说明，如图1所示，具体可以包括：

[0029] 谐振腔基板11，中间区域固定设置，边缘区域的上下两端分别设置有微镜13和压电陶瓷片12，用于使设置有压电陶瓷片12的边缘区域根据压电陶瓷片12产生的位移而产生形变。

[0030] 谐振腔基板11可以采用能够根据外力产生挠性变化的材料制造，如图2所示，谐振腔基板11的中心区域通过固定部件15和固定板16设置在陀螺底座17上。如图3和图4所示，谐振腔基板11边缘区域的上下两端分别设置有微镜13和压电陶瓷片12。相应的微镜13有四个，分别设置在以谐振腔基板11的中间区域为中心的正方形的四个角上；相应的压电陶瓷片12有三组，每组有两个，每两个压电陶瓷片12分别并列设置在谐振腔基板11的下端，并且与微镜13设置在同一条与水平面垂直的轴线上。其中三组压电陶瓷片12分别对应三个微镜13，并且在这三个微镜13中，第一个微镜13为平面反射镜，第二个微镜13为反射镜且镜面为凹面，第三个微镜13为平面反射镜。第四微镜131设置在陀螺底座21的入射端，并且第四微镜131为具有半透半反特性的透射镜。

[0031] 压电陶瓷片12，设置在谐振腔基板11的下端，用于根据施加的电压产生位移，使谐振腔基板11产生形变。

[0032] 压电陶瓷片12的下端固定设置在陀螺底座17上，压电陶瓷片12的上端与谐振腔基板11边缘区域的下端固定连接。若同步对每组的两个压电陶瓷片12施加电压，则这一组压电陶瓷片12会产生同步的位移，与这一组压电陶瓷片12固定的谐振腔基板11的边缘区域会产生与水平面呈一定角度的形变，以调整与这一组压电陶瓷片12设置在同一条与水平面垂直的轴线上的微镜13的俯仰角。若分别对每组的两个压电陶瓷片12施加电压，则这一组压电陶瓷片12会产生不同的位移，与这一组压电陶瓷片12固定的谐振腔基板11的边缘区域会产生与水平面呈一定角度的形变，以调整与这一组压电陶瓷片12设置在同一条与水平面垂直的轴线上的微镜13的偏转角。在初始调整时，分别调整加在三组压电陶瓷片12上的电压，使通过第四微镜131的入射光依次被另外的三个微镜13反射后，回到第四微镜131，最后从汇聚点输出，分别形成顺时针和逆时针传播的光束，产生谐振并敏感Sagnac效应。

[0033] 进一步地，如图1所示，可以分别在谐振腔基板11下端的固定区域与设置有压电陶瓷片12的边缘区域之间设置一个或多个抗震压电陶瓷片14，用于提高装置的抗震效果。

[0034] 本具体实施方式通过在陀螺谐振腔基板11的边缘区域的上下两端分别设置微镜13和压电陶瓷片12，并通过压电陶瓷片12产生位移使谐振腔基板11产生形变来调整微镜
13的俯仰角和偏转角，不但实现了一次加工成型工艺用于MOEMS陀螺的谐振腔的制造，还能够在制造过程中对陀螺的初始对准精度进行精确的调整。

[0035] 本发明的具体实施方式还提供了一种调节谐振腔的微镜空间状态的方法，首先对压电陶瓷片施加电压，使压电陶瓷片产生位移，并使设置有压电陶瓷片的谐振腔基板的边缘区域产生形变；然后根据检测到的反射光斑和循环光斑的位置调整加在压电陶瓷片上的电压，使谐振腔基板的设置有压电陶瓷片的边缘区域产生与水平面呈一定角度的形变，直至反射光斑与循环光斑重合。进一步还包括相应的微镜有四个，分别设置在以谐振腔基板的中间区域为中心的正方形的四个角上；相应的压电陶瓷片有三组，每组有两个，分别将每两个压电陶瓷片并列设置在谐振腔基板的下端，并且与微镜设置在同一条与水平面垂直的轴线上；根据检测到的反射光斑和循环光斑调整加在压电陶瓷片上的电压包括：同步调整施加在每组的两个压电陶瓷片上的电压，使谐振腔基板的设置有压电陶瓷片的边缘区域产生与水平面呈一定角度的形变；分别调整施加在没组的两个压电陶瓷片上的电压，使谐振腔基板的设置有压电陶瓷片的边缘区域产生与微镜面法矢量呈一定转动角度的形变。另外，该方法还包括：在谐振腔基板下端的固定区域与设置有压电陶瓷片的边缘区域之间设置有一个或多个抗震压电陶瓷片，用于提高装置的抗震效果。

[0036] 调节谐振腔的微镜空间状态的原理如图5所示：其中图1a为侧视图，微镜13相对水平面产生的角度α为俯仰角；图1b为俯视图，微镜13相对法矢量平面产生的角度β为偏转角。为了更清楚的说明本具体实施方式，现结合说明书附图对该谐振腔进行详细说明，如图6所示，具体可以包括：

[0037] 步骤61，对压电陶瓷片施加电压，使压电陶瓷片产生位移，并使设置有压电陶瓷片的谐振腔基板的边缘区域产生形变。

[0038] 相应的微镜13有四个，分别设置在以谐振腔基板11的中间区域为中心的正方形的四个角上；相应的压电陶瓷片12有三组，每组有两个，每两个压电陶瓷片12分别并列设置在谐振腔基板11的下端，并且与微镜13设置在同一条与水平面垂直的轴线上。其中三组压电陶瓷片12分别对应三个微镜13，并且在这三个微镜13中，第一个微镜13为平面反射镜，第二个微镜13为反射镜且镜面为凹面，第三个微镜13为平面反射镜。第四微镜131设置在陀螺底座21的入射端，并且第四微镜131为具有半透半反特性的透射镜。

[0039] 同步对每组的两个压电陶瓷片12施加电压，则这一组压电陶瓷片12会产生同步的位移，与这一组压电陶瓷片12固定的谐振腔基板11的边缘区域会产生与水平面呈一定角度的形变，以调整与这一组压电陶瓷片12设置在同一条与水平面垂直的轴线上的微镜13的俯仰角。若分别对每组的两个压电陶瓷片12施加电压，则这一组压电陶瓷片12会产生不同的位移，与这一组压电陶瓷片12固定的谐振腔基板11的边缘区域会产生与水平面呈一定角度的形变，以调整与这一组压电陶瓷片12设置在同一条与水平面垂直的轴线上的微镜13的偏转角。

[0040] 步骤62，根据检测到的反射光斑和循环光斑的位置调整加在压电陶瓷片上的电压，使谐振腔基板的设置有压电陶瓷片的边缘区域产生与水平面呈一定角度的形变，直至反射光斑与循环光斑重合。

[0041] 如图7所示，图a为初始状态；图b为微镜的俯仰角调节，ω为转轴，此调节具有独立性；图c为对谐振腔基底11的扭曲调节，ω′为转轴，由于耦合效应，此时微镜13的偏转角度将被调节，同时变化的还有微镜13的俯仰角度，此步骤以完成微镜13的偏转角的调节为目的；图d为俯仰角的调节，此步是为消除基底扭曲时耦合的俯仰角度差，从而完成整个微镜13的调节；在调节过程中，由于一次成型工艺决定了微镜13的偏转角度相对于俯仰角度为极小量，故在图d中对谐振腔基底11做扭曲时，可忽略基底前次以ω′扭转时带来的形变对此次扭转的影响。

[0042] 如图8所示，调整好微镜13的俯仰角和偏转角后，将第四微镜131设置在谐振腔的入射端。图8中的第一光束21为来自第一激光准直器27的激光束，其到达半透半反式的微镜131时，一部分反射光作为第二光束22进入第二激光准直器28，一部分光束进入空间环形谐振腔，作为循环光束的第三光束23，每次循环都有部分光束透过第四微镜131进入第二激光准直器28，与第二光束22形成多光束干涉。与此相同，来自第二激光准直器28的第四激光束24在第四微镜131处分束成第五光束25和第六光束26，其中第五光束25为反射激光，第六光束26将进入空间环形谐振腔循环后再部分输出。最后从汇聚点输出的顺时针的第二光束22和第三光束23在第二激光准直器28处产生谐振并敏感Sagnac效应，从汇聚点输出的逆时针的第五光束25和第六光束26在第一激光准直器27处产生谐振并敏感Sagnac效应。

[0043] 进一步地，在调节完成后，还可以将一个或多个抗震压电陶瓷片设置在谐振腔基板下端的固定区域与设置有压电陶瓷片的边缘区域之间，以提高装置的抗震效果。

[0044] 本具体实施方式通过压电陶瓷片12产生位移使谐振腔基板11产生形变来调整微镜13的俯仰角和偏转角，在输出端产生谐振并敏感Sagnac效应，不但实现了一次加工成型的工艺，还能够在制造过程中对陀螺的初始对准精度进行精确的调整。

[0045] 以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。