基于纳米减阻的球碟转子式微陀螺基础研究

Micromachined gyroscope have some inherent advantages such as small volume, low power consumption, highly resistant to shock and low cost, which has widely applications in aviation, spaceflight, resource exploration. At present，Micromachined gyroscope working principle and manufacturing process hinder the further improvement of MEMS gyroscope performance.It is important method to improve performance of the micromachined gyroscope using nano technology and micro-nano combination. In the project a novel ball-dishing rotor type micromachined gyroscope based on the effects of nano drag reduction is proposed, which is expected to realize high performance MEMS gyroscope. The nano effects of on the adhesion, friction and heat generation of rotor's moving interface are analyzed based on the superoleophobic theory. The dependencies of nano drag reduction and the performance of micromachined gyroscope are explored. The theoretical model of MEMS gyroscope is establised. Using the model these key techniques including structure design,fabrication of trans-dimension scale, steady driving technology and weak signal detection technology are studied. An experiment system is established to realize the verification priciple of MEMS gyroscope. The acquired theoretical achievements will lay a strong foundation for the progress of MEMS gyroscope. It will also provide technical support for the study of the drag reduction fo MEMS devices.

微机械陀螺由于具有体积小、抗冲击和低成本等优点，在航空、航天、资源勘探等领域导航、制导、控制系统中具有非常广阔的应用前景。当前微机械陀螺的工作原理和加工工艺制约着其性能的提高。利用纳米技术、微纳结合是提高微机械陀螺性能的重要途径之一。本项目提出了一种纳米减阻效应的球碟转子式微陀螺，创新的将纳米减阻技术与微惯性技术相结合，有望实现高性能的微陀螺。通过分析纳米超疏减阻理论，研究超疏效应对转子运动界面的粘附力、摩擦力和热生成的影响，建立纳米减阻效应和微机械陀螺性能之间的相关性。通过建立微陀螺的原理模型，研究新型球碟转子式微陀螺结构设计、微结构的跨尺度制造、稳定驱动和微弱信号检测等关键技术，完成基于纳米减阻效应的微陀螺原理验证。本课题研究成果为提高MEMS陀螺性能奠定理论基础，同时也会对MEMS器件的减阻具有重要的参考价值。

惯性器件是导航与控制系统的核心器件之一，MEMS惯性器件已经成为惯性器件极为重要的组成部分之一。微机械陀螺由于具有体积小、抗冲击和低成本等优点，在航空、航天、资源勘探等领域导航、制导、控制系统中具有非常广阔的应用前景。振动式微陀螺往复运动的工作原理决定了其质量块线速度较低，限制了器件性能的提高。近年来，人们希望通过研制转子式微陀螺来提高质量块的线速度，以提高器件的性能。但由于转子的旋转稳定性难以控制，其性能指标还不如振动式微陀螺。当前微机械陀螺的工作原理和加工工艺制约着其性能的提高。利用纳米技术、微纳结合是提高微机械陀螺性能的重要途径之一。. 本项目提出了一种纳米减阻效应的球碟转子式微陀螺，创新的将纳米减阻技术与微惯性技术相结合，有望实现高性能的微陀螺。建立了一种适用于球碟转子式微陀螺的高速、稳定电磁驱动方法。通过研究微陀螺稳态旋转过程中的力矩平衡关系，结合磁路分析和驱动系统结构和驱动策略的优化，解决了传统转子式微陀螺驱动力矩过小，无法克服液浮支撑结构阻力矩的问题。球碟转子式微陀螺的转速控制误差小于0.03‰；在转速为10000rpm时，经过驱动方法优化，器件的稳态功耗降低了89.86%，总功耗小于0.5W。器件的加速时间缩短了34.00%，其启动时间小于3.25s。通过分析纳米超疏减阻理论，研究超疏效应对转子运动界面的粘附力、摩擦力和热生成的影响。建立了固-液界面的微阻力原位测量装置，实现了μN量级的阻力的测量。在多种基底材料上制备出了超双疏表面，超疏表面的减阻率达到了30-40%。提出了一种连续时间的微陀螺微弱信号检测方法，通过对微陀螺的实验测试分析，揭示了纳米减阻效应和微机械陀螺性能之间的相关性。微陀螺的灵敏度为98.3mV/(°/s)、分辨率为0.1°/s、线性度为0.85% FS、偏置稳定性为0.5°/h。完成基于纳米减阻效应的微陀螺原理验证。本课题研究成果为提高MEMS陀螺性能奠定理论基础，同时也会对MEMS器件的减阻具有重要的参考价值。