基于光电效应的微激光陀螺

摘要

本发明公开了一种基于光电效应的微激光陀螺，属于利用科氏效应的制导或控制装置领域。该机构由结构层、支撑结构层的基底、光源和光敏电阻构成。结构层和基底通过微装配连接在一起，外界角速度输入使结构层与基底发生相对运动，结构层上的圆柱绕基底的中心立柱转动，统计光敏电阻接收到来自光源的单色光信号的次数以得到运动物体的角位移。该发明的有益效果是：1)直接测量运动物体的角位移，避免积分，有利于系统精度的提高；2)结构不需一直处于振动状态，有效的解决了结构疲劳的问题，提高系统的使用寿命；3)采用数字信号输出，有利于信号的检测；4)受外界环境比如温度，气压等变化的影响很小。

权利要求

1.一种基于光电效应的微激光陀螺，其特征在于：包括基底(1)、结构层(2)、光源(3)和光敏电阻(4)；基底(1)和结构层(2)材料均为半导体材料，光源(3)为激光器，光敏电阻(4)材料为可以制作光敏电阻的材料；所述结构层(2)包括圆盘(11)和沿圆盘(11)周向均匀分布的若干个圆柱(5)，所述圆盘(11)具有中心孔(6)，所有圆柱(5)的底面直径d相同，相邻圆柱(5)中心之间的周向间隙S一致；为避免光的衍射现象发生，周向间隙S须满足：S＞λ，λ为激光器所发射激光的波长；同时周向间隙S与圆盘(11)的半径R以及圆柱(5)的底面直径d之间的关系须满足： 以保证该微激光陀螺的精度；对应结构层(2)上的中心孔(6)的位置，基底(1)上布有中心立柱(9)，中心孔(6)与中心立柱(9)通过间隙配合装在一起，置于台阶(10)上以支撑整个结构层(2)；光源(3)与中心立柱(9)键合在一起，中心立柱(9)的高度不小于圆盘(11)的厚度，同时光源(3)的最高点低于圆柱(5)的最高点，使得圆柱(5)能挡住光源(3)发射的光；在基底(1)上布有一个圆孔(8)，圆孔(8)圆心与基底(1)中心的距离大于圆盘(11)的半径R；光敏电阻(4)通过圆孔(8)与基底(1)上的装配台阶(12)装配在一起，同时，光敏电阻(4)的最高点不低于光源(3)的最高点，以使光敏电阻(4)能接收到光源(3)发射的光；光敏电阻(4)上下两端分布有光敏电极(7)。

2.一种如权利要求1所述的基于光电效应的微激光陀螺，其特征在于：所述激光器为垂直腔面发射半导体激光器。

3.一种如权利要求2所述的基于光电效应的微激光陀螺，其特征在于：所述垂直腔面发射半导体激光器所发射激光的波长λ满足：650nm≤λ≤1300nm。

说明书

基于光电效应的微激光陀螺

[0001] 所属领域

[0002] 本发明涉及一种采用微机电系统(MEMS)技术实现的基于光电效应的微激光陀螺，属于制导或控制装置领域。

背景技术

[0003] 陀螺仪是一种能够精确地确定运动物体的方位的仪器，它是现代航空，航海，航天和国防工业中广泛使用的一种惯性导航仪器。目前使用MEMS技术的微机械陀螺的基本工作原理都是基于科氏(Coriolis)力效应，即转动坐标系中的运动物体会受到与速度方向垂直的惯性力的作用。科氏力与转动角速度成正比，通过检测科氏力得到转动系统的角速度。

[0004] 基于科氏力效应的微机械陀螺有如下不足：

[0005] 1)基于该效应的微机械陀螺检测的物理量是角速度，需积分得到角位移以确定运动物体的方位，积分不可避免的会引入误差导致系统的精度降低；2)微机械陀螺时刻处在谐振状态，导致结构容易疲劳，降低系统使用寿命；3)陀螺输出的信号很微弱，不利于信号的检测，由于机械结构噪声和电路噪声的存在，使得陀螺的精度提升空间有限；4)微机械陀螺的漂移受外界环境比如温度、压力、电压变化、机械振动等的影响较大，使得微机械陀螺的零偏输出较大，从而影响系统的精度。

发明内容

[0006] 本发明的目的在于公开一种基于光电效应的微激光陀螺，以解决现有技术中的如下问题：1)基于科氏力效应的微机械陀螺检测的物理量不够直接导致精度下降问题；2)微机械陀螺结构疲劳问题；3)微机械陀螺检测信号微弱问题；4)微机械陀螺的精度受外界环境影响较大问题。

[0007] 本发明的技术方案是：一种基于光电效应的微激光陀螺，包括基底1、结构层2、光源3和光敏电阻4；基底1和结构层2材料均为半导体材料，光源3为激光器，光敏电阻4材料为可以制作光敏电阻的材料。

[0008] 参阅图1、图2和图3，结构层2包括圆盘11和沿圆盘11周向均匀分布的若干个圆柱5，所述圆盘11具有中心孔6，所有圆柱5的底面直径d相同，相邻圆柱5中心之间的周向间隙S一致；为避免光的衍射现象发生，周向间隙S须满足：S＞λ，λ为激光器所发射激光的波长；同时周向间隙S与圆盘11的半径R以及圆柱5的底面直径d之间的关系须满足： 以保证该微激光陀螺的精度；对应结构层2上的中心孔6的位置，基底1上布有中心立柱9，中心孔6与中心立柱9通过间隙配合装在一起，置于台阶10上以支撑整个结构层2；光源3与中心立柱9键合在一起，中心立柱9的高度不小于圆盘11的厚度，同时光源3的最高点低于圆柱5的最高点，使得圆柱5能挡住光源3发射的光；在基底1上布有一个圆孔8，圆孔8圆心与基底1中心的距离大于圆盘11的半径R；光敏电阻4通过圆孔8与基底1上的装配台阶12装配在一起，同时，光敏电阻4的最高点不低于光源3的最高点，以使光敏电阻4能接收到光源3发射的光；光敏电阻4上下两端分布有光敏电极7。

[0009] 所述光源3的激光器最好为垂直腔面发射半导体激光器(VCSEL)。

[0010] 所述的VCSEL所发射激光的波长λ最好满足：650nm≤λ≤1300nm。

[0011] 工作时，光源3处于工作状态，由于基底1固定在待测运动物体上，结构层2与基底1通过间隙配合装在一起，当外界有角速度输入时，结构层2与基底1发生相对运动，结构层2上的圆柱5绕基底1的中心立柱9转动，当圆柱5转动到中心立柱9与光敏电阻4的连线上时，圆柱5挡住光源3发射过来的单色光，当结构层2转动到相邻两个圆柱5之间的间隙处于中心立柱9与光敏电阻4的连线上时，光敏电阻4接收光源3发射过来的单色光，由光敏电极7检测并输出电信号，通过统计光敏电阻4接收到的单色光信号的次数，得到由于外界输入角速度引起的运动物体的角位移。

[0012] 本发明的有益效果是：1)直接测量运动物体的角位移，避免积分，有利于系统精度的提高；2)结构不需一直处于振动状态，有效的解决了结构疲劳的问题，提高系统的使用寿命；3)采用数字信号输出，有利于信号的检测；4)受外界环境比如温度，气压等变化的影响很小。

[0013] 下面结合附图和实施实例对本发明进一步说明。

附图说明

[0014] 图1：本发明提出的基于光电效应的微激光陀螺主视图

[0015] 图2：结构层俯视示意图

[0016] 图3：基底层俯视示意图

[0017] 图中，1-基底，2-结构层，3-光源，4-光敏电阻，5-圆柱，6-中心孔，7-光敏电级，8-圆孔，9-中心立柱，10-台阶，11-圆盘，12-装配台阶

具体实施方式

[0018] 参阅图1，本发明公开的一种基于光电效应的微激光陀螺，由基底1、结构层2、光源3和光敏电阻4构成。基底1和结构层2的材料均为硅，光源3为垂直腔面发射半导体激光器(VCSEL)，波长λ＝1000nm，光敏电阻4材料为硫化镉。

[0019] 参阅图1、图2和图3，结构层2包括圆盘11和沿圆盘11周向均匀分布的18个圆柱5，所述圆盘11具有中心孔6，圆盘11的厚度为80um，中心孔6的半径为50um，圆盘的半径R为300um，所有圆柱5的高度为100um，所有圆柱5的底面直径d为60um，相邻圆柱5中心之间的周向间隙S为94.24um。对应结构层2上的中心孔6的位置，基底1上布有中心立柱9，基底1的厚度为100um，中心立柱9的高度为90um，中心立柱9的半径为45um，中心孔6与中心立柱9通过间隙配合装在一起，置于台阶10上以支撑整个结构层2，基底1上台阶10的半径为100um，光源3与中心立柱9键合在一起，光源3的厚度为50um，在基底1上布有一个圆孔8，圆孔8圆心与基底1中心的距离为400um，光敏电阻4通过圆孔8与基底1上的装配台阶12装配在一起，光敏电阻4的高度为260um，光敏电阻4两端分布有光敏电极7。

[0020] 工作时，光源3处于工作状态，由于基底1固定在待测运动物体上，结构层2与基底1通过间隙配合装在一起，当外界有角速度输入时，结构层2与基底1发生相对运动，结构层2上的圆柱5绕基底1的中心立柱9转动，当圆柱5转动到中心立柱9与光敏电阻4的连线上时，圆柱5挡住光源3发射过来的单色光，当结构层2转动到相邻两个圆柱5之间的间隙处于中心立柱9与光敏电阻4的连线上时，光敏电阻4接收光源3发射过来的单色光，由光敏电极7检测并输出电信号，通过统计光敏电阻4接收到的单色光信号的次数，得到由于外界输入角速度引起的运动物体的角位移。