硅基纳米光波导陀螺敏感机制及导波结构表面光滑化关键技术研究

Given that the fiber optic gyroscope has large volume and high cost, the MEMS gyroscope has the problems of low sensitivity and poor reliability. We proposed the MOEMS gyroscope inertial devices based on the silicon nano-waveguide. It has many excellent characters such as miniaturization, all-solidness, robustness, and mass-produced. This novel MOEMS gyroscope device can realize the measurement of angular velocity on a single chip. To achieve better performance, some basic scientific issues and common technologies should be studied deeply, including micro-cavity physics of silicon nano-waveguide, optical transmission mechanism in the nanometer limited-space, micro-nano cross-scale manufacturing methods, interconnection technology of the waveguide functional units and the theory of inertial parameters measurement based on micro-cavity. Based on the study above, we can develop a serial of key components for the nano-waveguide gyroscope. Applying these functional units, vertical diffraction grating, efficient coupled nano-waveguide units, waveguide resonator with nano-level smoothness, we can fabricate the nano-waveguide inertial device and verify the function of rotation sensing.

针对当前光纤陀螺体积大、成本高和MEMS陀螺灵敏度低、可靠性差的技术瓶颈问题，开展基于纳米光波导的谐振式陀螺基础研究，拟在单一芯片上实现基于光学原理的角速度测试，为实现微小型化、全固态、高可靠性、可批量制造的高精度导航级陀螺奠定理论基础并提供关键技术。项目围绕硅基纳米光波导陀螺，重点突破硅基纳米光波导微腔物理、纳米受限空间光传输机理、微纳跨尺度制造方法、功能波导结构单元间互连技术以及微腔惯性参量测量理论等基础科学问题和共性关键技术，研制出硅基纳米光栅垂直互连结构、纳米光波导高效耦合单元、纳米光滑度光波导谐振微腔等纳米光波导陀螺关键部件，进而实现纳米光波导陀螺角速率高灵敏检测效应。

针对硅基纳米光波导陀螺敏感机制，以及SOI材料在纳米光波导器件制造过程中微米纳米跨尺度制造和亚纳米精度控制的科学问题，重点开展了基于表面自由能最小化原理的纳米光波导亚纳米精度制造研究，建立了粗糙度为亚纳米量级的硅基纳米光波导表面光滑化工艺，硅片表面粗糙度由1.16nm降低到了0.545nm，实现了超低损耗、Q参数可达106的CMOS硅基光波导环形谐振腔的制备。设计了设计了模拟锁频电路系统，并进行了集成化和微型化，完成了一代陀螺原理样机的研制，其零偏稳定性为960°/h；设计并集成了陀螺的数字锁频系统，进一步提高锁频精度，完成了二代陀螺原理样机的研制，零偏稳定性优于300°/h，目前正在进行小批量生产。在本项目资助下，已在国际重要期刊、会议上发表论文78篇， 其中论文被四大检索系统（即 SCI、EI、ISTP、ISR）收录 50篇（SCI 22 篇，EI 28 篇）；申请专利28项，已授权国家发明专利9项。组织召开了第十届国际测试技术研讨会（2013年6月16-19日在中国北京、北京理工大学国际教育交流大厦）；与太原理工大学共同组织召开了ICMAN 2013国际研讨与展览会；和希腊国立雅典科技大学承办了第六届仪器科学及测控技术学术年会（2015年10月8日在希腊雅典召开）；2016年10月20日-22日，在太原晋祠宾馆，中北大学、中国电子科技集团公司第四十一研究所受国家自然科学基金委员会工程与材料科学部委托，承办了第四届“现代机械测试理论与技术基础”中青年学者高层论坛；此外，多次邀请国外专家来华进行项目相关方面的技经验交流，项目参与人员多次参加国际会议并做特邀报告。已毕业博士研究生2人，硕士研究生19人，目前正在培养博士研究生1名，硕士研究生9名。