基于纳米光栅的微陀螺效应检测机理研究

Nano-grating has ultra high sensitivity in testing micro displacement. Detection Resolution is up to fm level, much higher than that of capacitive nano displacement detection. The project for the gyroscope in the weak Coriolis force detection problem, put the nano-grating used in micro-stress or micro displacement detection micromechanical gyroscope caused by the Coriolis force, explore new principle of micromechanical gyroscope program. While applying the angular velocity，the Coriolis force of micromechanical gyroscope will cause the relative lateral displacement of nano-grating. Based on the theory of near field coupling, slight change in distance will result in a dramatic change of diffraction light power through nano-grating. Thus weak Coriolis force is achieved by detecting the change of diffraction light. This method can improve the detection sensitivity of micromechanical gyroscope with one to two orders. This project will focus on the research of dynamic detection theory of micro-displacement of nano-grating, the establishment of force-light-electricity conversion model of nano-grating gyroscope, and the investigation of signal detection method of micro angular rate gyroscope, structural design of nano-grating and micro gyroscope and its coupling technology. It is hopeful to solve the key scientific and technological issues of nano-grating application in micro inertial sensor. And it is of great significance to further improve the precision of micro-inertial navigation and guidance system.

纳米光栅对微位移具有极高的灵敏度，检测分辨率可达fm级，远远高于电容纳米级位移检测分辨率。本项目针对微机械陀螺中微弱柯氏力检测难题，提出将纳米光栅应用在微机械陀螺的柯氏力引起的微应力或微位移检测中，探索新原理的微机械陀螺方案。当有角速度输入时，微机械陀螺的柯氏力将驱动双层纳米光栅发生水平相对位移，基于近场耦合理论，微弱的距离变化将导致透过纳米光栅的衍射光发生剧烈变化，通过探测衍射光强变化即可实现微弱柯氏力检测。该方法可将微机械陀螺检测灵敏度提高一到两个数量级。本项目将重点开展纳米光栅微位移动态检测理论研究，建立纳米光栅微陀螺仪的力-光-电转换模型，研究微陀螺角速率响应信号的检测方法、纳米光栅与微陀螺的结构设计及耦合工艺方法。通过本项目研究，有望解决纳米光栅在微惯性传感器中应用的关键科学和技术问题，对进一步提高我国微惯性导航与制导系统精度具有重要意义。

本项目面向我国航空航天领域中导航与制导技术对新型微机械传感器技术的战略需求，针对微机械陀螺中微弱柯氏力引起的微应力或微位移的高灵敏检测技术瓶颈问题，提出利用纳米光栅作为微陀螺的检测敏感原理，实现微机械陀螺中柯氏力引起的微应力或微位移的检测，为基于纳米光栅微惯性传感器的研制及应用提供理论和技术基础。.本项目的研究内容为：(1) 基于纳米光栅微陀螺的矢量衍射理论模型及结构设计。建立纳米光栅检测微位移的理论模型，对微陀螺结构仿真设计展开研究； (2) 高精度纳米光栅微陀螺加工工艺研究。对微陀螺的加工工艺流程和光刻版图进行设计，研究纳米光栅结构与微陀螺结构的耦合加工工艺； (3) 基于纳米光栅的微陀螺性能测试研究。搭建光学微位移测试平台，开展纳米光栅衍射理论测试、光源及光路测试、微陀螺模态固有频率测试、微陀螺品质因素Q值测试、灵敏度测试等研究。. 通过本项目的实施，取得如下的科研成果：(1) 根据双层纳米光栅近场耦合理论，提出了基于纳米光栅微陀螺结构的力-光-电转换理论模型及检测方法，阐明光栅周期、光栅深度、占空比等参量对敏感空间衍射场的影响；(2) 建立了工艺仿真模型，突破了高精度纳米光栅加工工艺和陀螺结构片键合的光栅加工工艺等关键工艺加工技术，保证了纳米光栅微陀螺的可制造性； (3) 设计完成了纳米光栅微陀螺模拟接口电路和陀螺数字测控电路；（4）加工纳米光栅微陀螺样机，并对其进行位移灵敏度和陀螺结构测试，实验结构显示位移测试灵敏度为0.3%/nm，微陀螺驱动谐振频率7078.1Hz、品质因数为643.2，检测方向谐振频率7068.9Hz、品质因素为1010.7。通过仿真、实验和理论推导，证明纳米光栅微陀螺方案可行。通过本项目原理和结构方案的研究，有望解决微惯性传感器中微弱柯氏力检测的科学难题，对进一步提高惯性导航精度具有重要意义。