一種微小型單軸金剛石陀螺的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及陀螺的技術領域，具體涉及一種微小型單軸金剛石陀螺，可應用于需求小體積、低成本、低功耗、高穩(wěn)定度陀螺儀的各類導航和測姿系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002]陀螺儀是一種用來測量載體轉(zhuǎn)動信息的裝置，是慣性導航系統(tǒng)中重要的傳感器。隨著微加工技術的不斷進步，以MEMS陀螺為代表的一類低成本陀螺儀得到了廣泛應用，但是MEMS陀螺儀長期漂移率高。因此急需低成本、小體積、高穩(wěn)定度的陀螺儀。
[0003]內(nèi)嵌NV色心的金剛石材料具有固體材料的穩(wěn)定性，其單位體積內(nèi)的敏感元NV色心濃度高，可采用微波和光學手段對NV能級進行操控和檢測。利用該材料作為轉(zhuǎn)動信號的敏感源，可在保證測量精度的同時有效縮小陀螺儀的體積，并提高陀螺儀的穩(wěn)定度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明要解決的技術問題是:提出一種微小型單軸金剛石陀螺，具有小體積、低成本、低功耗、高穩(wěn)定度的特點。
[0005]本發(fā)明解決上述技術問題采用的技術方案為:一種微小型單軸金剛石陀螺，包括陀螺儀外殼，LED光源，第一平凸透鏡，第二平凸透鏡，第一環(huán)形永磁鐵，第二環(huán)形永磁鐵，金剛石，第一光闌，第二光闌，濾波片，光電探測器，所有器件均共軸集成在陀螺儀外殼內(nèi)部；其中:
[0006]所述的LED光源由LED供電接口供電，可發(fā)出波長在510nm?550nm之間的綠光。第一平凸透鏡的平面緊鄰LED光源，可將綠光會聚成一束平行光。第一環(huán)形永磁鐵緊鄰第一平凸透鏡的凸面一側安裝，第一環(huán)形永磁鐵內(nèi)徑大于第一平凸透鏡的凸面直徑。第一光闌一側緊鄰第一環(huán)形永磁鐵，另一側與金剛石緊密貼合。金剛石位于第一光闌和第二光闌中間，第二光闌一側與金剛石緊密貼合，另一側緊鄰第二環(huán)形永磁鐵。第二平凸透鏡凸面緊鄰第二環(huán)形永磁鐵，第二平凸透鏡凸面直徑小于第二環(huán)形永磁鐵內(nèi)徑。濾波片緊鄰第二平凸透鏡平面一側，可濾除510nm?550nm的綠光，透過630nm_800nm的熒光。光電探測器緊鄰濾波片，用于探測630nm-800nm的熒光，通過光電探測器電氣接口可以為光電探測器供電并且讀出光電探測器探測的信號。
[0007]所述的金剛石內(nèi)部含有NV色心系綜，是陀螺儀的核心敏感元件，沿金剛石晶胞[111]的軸方向切割，金剛石兩側表面的中心位置對稱地鍍有圓形的第一微波天線和第二微波天線。
[0008]所述的第一光闌的小孔直徑應小于第一微波天線的直徑，在第一光闌靠近金剛石一側的表面上、與第一微波天線開口兩側的對應位置處鍍有第一微波饋送電極和第二微波饋送電極，第一微波饋送電極和第二微波饋送電極通過第一光闌內(nèi)部引線分別連接至第一微波饋送引腳和第二微波饋送引腳。第一光闌與金剛石緊密貼合，便于微波或射頻信號通過第一微波饋送引腳和第二微波饋送引腳輸入到微波天線。第二光闌與第一光闌結構相同，并且與金剛石緊密貼合，便于微波或射頻信號通過第三微波饋送引腳輸入到第二微波天線。
[0009]所述的第一環(huán)形永磁鐵和第二環(huán)形永磁鐵之間產(chǎn)生的靜磁場與金剛石晶胞[111]的軸平行。
[0010]本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比的優(yōu)點在于:
[0011](1)本發(fā)明使用綠光LED代替激光，可有效降低陀螺儀的功耗和成本，并且縮小陀螺儀的體積；
[0012](2)本發(fā)明將環(huán)形微波天線鍍于金剛石表面，可有效提高天線的饋送效率和微波射頻場的均勻性，從而提高陀螺儀的靈敏度；
[0013](3)本發(fā)明結構簡單緊湊，可有效提高陀螺儀的穩(wěn)定度，同時縮小陀螺儀的體積。
【附圖說明】
[0014]圖1為本發(fā)明的結構圖；
[0015]圖2為本發(fā)明的微波天線正視圖；
[0016]圖3為本發(fā)明的微波天線側視圖；
[0017]圖4為本發(fā)明的光闌結構圖；
[0018]圖5為金剛石NV色心晶胞結構圖；
[0019]附圖標記列示如下:1_LED光源，2-第一平凸鏡，3-第一環(huán)形永磁鐵，4-第一光闌，5-金剛石，6-第二光闌，7-第二環(huán)形永磁鐵，8-第二平凸透鏡，9-濾波片，10-光電探測器，11-陀螺儀外殼，12-LED供電接口，13-第一微波饋送引腳，14-第二微波饋送引腳，15-第三微波饋送引腳，16-光電探測器電氣接口，17-第一微波天線，18-第二微波天線，19-小孔，20-第一微波饋送電極，21-第二微波饋送電極，金剛石晶胞[111]。
【具體實施方式】
[0020]下面結合附圖以及【具體實施方式】進一步說明本發(fā)明。
[0021]如圖1所示的一種微小型單軸金剛石陀螺，包括陀螺儀外殼11，LED光源1，第一平凸透鏡2，第一環(huán)形永磁鐵3，第一光闌4，金剛石5，第二光闌6，第二環(huán)形永磁鐵7，第二平凸透鏡8，濾波片9，光電探測器10，所有器件均共軸集成在陀螺儀外殼內(nèi)部；
[0022]LED光源1由LED供電接口 12供電，可發(fā)出波長在510nm?550nm之間的綠光。第一平凸透鏡2平面一側緊鄰LED光源1，用于會聚LED光源1發(fā)出的綠光。第一環(huán)形永磁鐵3緊鄰第一平凸透鏡2的凸面一側安裝，第一環(huán)形永磁鐵內(nèi)徑大于第一平凸透鏡2的凸面直徑，避免曲面造成的安裝問題。第一光闌4 一側緊鄰第一環(huán)形永磁鐵3，同時另一側與金剛石5緊密貼合。會聚后的平行光經(jīng)第一環(huán)形永磁鐵3以及第一光闌4后照射到金剛石5上，使金剛石5發(fā)出焚光。第二光闌6與第一光闌4對稱地緊密貼合于金剛石5另一側。第二環(huán)形永磁鐵7緊鄰第二光闌6，第二環(huán)形永磁鐵與第一環(huán)形永磁鐵3之間產(chǎn)生的靜磁場平行于金剛石晶胞[111]的軸。第二平凸透鏡8凸面直徑小于第二環(huán)形永磁鐵7內(nèi)徑，第二平凸透鏡凸面一側緊鄰第二環(huán)形永磁鐵7，平面一側緊鄰濾波片9。金剛石發(fā)出的熒光經(jīng)第二光闌6和第二環(huán)形磁鐵7后由第二平凸透鏡8會聚，會聚的出射熒光經(jīng)濾波片9過濾再由光電探測器探測10探測，通過光電探測器電氣接口 16可以為光電探測器9供電并且讀出光電探測器9探測的信號。
[0023]如圖5所示，金剛石5內(nèi)部含有NV色心系綜，是陀螺儀的核心敏感元件，沿金剛石晶胞[111]的軸方向切割，在金剛石由碳原子(C)組成的正四面體結構中，一個碳原子被氮原子(N)取代，一個碳原子被空位(V)取代，構成了金剛石的NV色心，氮原子指向空位的方向在金剛石晶胞結構中的方向為[111]。如圖2和圖3所示，在金剛石5兩側中心位置對稱地鍍有圓形第一微波天線17和第二微波天線18。
[0024]第一光闌4的小孔19直徑小于第一微波天線17的直徑，在第一光闌4靠近金剛石5 —側的表面上、與第一微波天線17開口兩側的對應位置處鍍有第一微波饋送電極20和第二微波饋送電極21，分別通過第一光闌4內(nèi)部引線連接至第一微波饋送引腳13和第二微波饋送引腳14，見圖4。第一光闌4與金剛石5緊密貼合，便于微波或射頻信號通過第一微波饋送引腳13和第二微波饋送引腳14輸入到第一微波天線17。第二光闌6與第一光闌4結構相同，并且與金剛石5緊密貼合，便于微波或射頻信號通過第三微波饋送引腳15輸入到第二微波天線18。
[0025]總之，本發(fā)明以內(nèi)嵌負價氮原子-空位(NV)色心的金剛石材料敏感載體角速度，以低功耗LED燈取代激光器提供極化和檢測光，微波天線鍍于金剛石表面以提供NV色心能級操控的微波和射頻信號，使結構簡單緊湊，可有效提高陀螺儀的穩(wěn)定度并降低生產(chǎn)成本，同時低功耗器件的應用也降低了使用成本，在需求小體積、低成本、低功耗、高穩(wěn)定度陀螺儀的慣性導航和測姿系統(tǒng)領域具有很大的應用潛力。
[0026]本發(fā)明說明書中未作詳細描述的內(nèi)容屬于本領域?qū)I(yè)技術人員公知的現(xiàn)有技術。盡管上面對本發(fā)明說明性的【具體實施方式】進行了描述，以便于本技術領的技術人員理解本發(fā)明，但應該清楚，本發(fā)明不限于【具體實施方式】的范圍，對本技術領域的普通技術人員來講，只要各種變化在所附的權利要求限定和確定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，這些變化是顯而易見的，一切利用本發(fā)明構思的發(fā)明創(chuàng)造均在保護之列。
【主權項】
1.一種微小型單軸金剛石陀螺，其特征在于:包括陀螺儀外殼(11)，LED光源(1)，第一平凸透鏡(2)，第二平凸透鏡(8)，第一環(huán)形永磁鐵(3)，第二環(huán)形永磁鐵(7)，金剛石(5)，第一光闌(4)，第二光闌(6)，濾波片(9)，光電探測器(10)，所有器件均共軸集成在陀螺儀外殼(11)內(nèi)部；其中: 所述的LED光源(1)發(fā)出波長在510nm?550nm之間的綠光，第一平凸透鏡(2)的平面緊鄰LED光源(1)，將綠光會聚成一束平行光，第一環(huán)形永磁鐵(3)緊鄰第一平凸透鏡(2)的凸面一側安裝，第一環(huán)形永磁鐵(3)內(nèi)徑大于第一平凸透鏡⑵的凸面直徑，第一光闌⑷一側緊鄰第一環(huán)形永磁鐵(3)，另一側與金剛石(5)緊密貼合，金剛石(5)位于第一光闌(4)和第二光闌￠)中間，第二光闌(6) —側與金剛石(5)緊密貼合，另一側緊鄰第二環(huán)形永磁鐵(7)，第二平凸透鏡(8)凸面緊鄰第二環(huán)形永磁鐵(7)，第二平凸透鏡(8)凸面直徑小于第二環(huán)形永磁鐵(7)內(nèi)徑，濾波片(9)緊鄰第二平凸透鏡(8)平面一側，濾除510nm?550nm的綠光，透過630nm-800nm的熒光，光電探測器(10)緊鄰濾波片(9)，用于探測630nm-800nm的熒光，通過光電探測器電氣接口(16)為光電探測器(10)供電并且讀出光電探測器(10)探測的信號。2.根據(jù)權利要求1所述的一種微小型單軸金剛石陀螺，其特征在于:所述的金剛石(5)內(nèi)部含有NV色心系綜，沿金剛石晶胞[111]的軸方向切割，金剛石(5)兩側表面的中心位置對稱地鍍有圓形的第一微波天線(17)和第二微波天線(18)。3.根據(jù)權利要求1所述的一種微小型單軸金剛石陀螺，其特征在于:所述的第一光闌(4)的小孔(19)直徑小于第一微波天線(17)的直徑，在第一光闌(4)靠近金剛石(5) —側的表面上、與第一微波天線(17)開口兩側的對應位置處鍍有第一微波饋送電極(20)和第二微波饋送電極(21)，第一微波饋送電極(20)和第二微波饋送電極(21)通過第一光闌(4)內(nèi)部引線分別連接至第一微波饋送引腳(13)和第二微波饋送引腳(14);第一光闌(4)與金剛石(5)緊密貼合，便于微波或射頻信號通過第一微波饋送引腳(13)和第二微波饋送引腳(14)輸入到微波天線；第二光闌(6)與第一光闌(4)結構相同，并且與金剛石(5)緊密貼合，便于微波或射頻信號通過第三微波饋送引腳(15)輸入到第二微波天線(18)。4.根據(jù)權利要求1所述的一種微小型單軸金剛石陀螺，其特征在于:所述的第一環(huán)形永磁鐵(3)與第二環(huán)形永磁鐵(7)之間產(chǎn)生的靜磁場與金剛石晶胞[111]的軸平行。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種微小型單軸金剛石陀螺，以內(nèi)嵌負價氮原子-空位(NV-)色心的金剛石材料敏感載體角速度，以低功耗LED燈取代激光器提供極化和檢測光，微波天線鍍于金剛石表面以提供NV-色心能級操控的微波和射頻信號。本發(fā)明結構簡單緊湊，可有效提高陀螺儀的穩(wěn)定度并降低生產(chǎn)成本，同時低功耗器件的應用也降低了使用成本，在需求小體積、低成本、低功耗、高穩(wěn)定度陀螺儀的慣性導航和測姿系統(tǒng)領域具有很大的應用潛力。
【IPC分類】G01C19/58
【公開號】CN105403210
【申請?zhí)枴緾N201510993367
【發(fā)明人】房建成, 徐麗霞, 張晨, 張寧, 張冀星, 袁珩
【申請人】北京航空航天大學
【公開日】2016年3月16日
【申請日】2015年12月24日