基于超疏水效应的液浮转子微陀螺研究

悬浮转子微机械陀螺是高精度微机械陀螺发展的重要方向与主要突破途径之一。本项目提出了一种基于纳米超疏水效应的液浮转子微机械陀螺，利用超疏水纳米效应和液浮旋转陀螺工作原理，结合MEMS加工、高速旋转摩擦的恶劣环境下表面耐久超疏水层的实现、旋转驱动与信号检测等创新性技术，实现基于纳米超疏水液浮转子微陀螺的原理验证,为研制高精度微机械陀螺奠定基础。通过纳米超疏水结构在陀螺中的应用，研究新型液浮转子式微机械陀螺工作原理、陀螺信号检测新原理、转子纳米超疏水表面材料匹配、摩擦、散热等科学问题，探讨基于纳米超疏水效应液浮转子微机械陀螺的新原理与纳米界面新效应。本项目所提出的纳米超疏水液浮转子微陀螺是一种新型的高性能微陀螺，该项目的开展从理论上认识超疏水动态界面效应有重要的基础价值，对我国高精度微机械陀螺及其惯性技术的发展具有重要的意义。

针对目前微机械陀螺在稳定性方面存在的问题，提出了基于纳米减阻的液浮转子式微陀螺新结构，进行了角速度敏感机理研究，采用电容检测、静电伺服力矩实现转子随动与再平衡，建立了静电伺服电压与输入角速度的数学模型。初步建立了微陀螺漂移误差分析模型，研究了制造工艺误差，电磁力矩与阻尼力矩等主要误差因素并进行了测算，结果表明，转子边缘处的工艺缺陷和电磁力矩轴向分量对陀螺性能影响最大，引起的漂移误差在0.01º/h数量级。建立了液浮转子式微陀螺的流场模型，研究了转子直径、转速对粘滞力矩的影响。设计了液浮转子式微陀螺新结构，重点对驱动定子、转子、线圈、检测电极、悬浮液体和密封腔体进行了设计与优化。提出了一种多相、多拍的微陀螺驱动技术，实现了转子在液体介质中高速、平稳旋转。提出了反电动势微陀螺转子转速测量方法、时分/频分复用微陀螺电容检测方法，研制了ASIC和PCB两种微陀螺微弱电容检测电路，ASIC检测电路电容检测相对分辨率可达4×10-9。建立了转子式微陀螺演示验证器件及实验平台，采用交叠6相24拍模式，微陀螺转子转速最高可达7900rpm。提出了一种基于金属催化剂的氮化硼纳米管疏水膜制备方法，在不锈钢基底上制备出致密疏水氮化硼纳米管薄膜，对水的接触角为158.1°，通过脉冲波叠加连续波的复合方法可调节纳米管表面亲疏水性。提出了铝阳极氧化、水热合成法制备出了纳米超疏薄膜，对水的接触角达到了166°，对油可达150°，实现超疏水、超疏油性。把纳米超疏薄膜用于转子中，微陀螺转子转速达到8700rpm，转速提高了10%。研究成果验证了超疏纳米减阻的有效性，并且为高性能微机械陀螺的研究奠定了坚实的基础。