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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 電磁驅(qū)動(dòng)介觀壓阻檢測(cè)微機(jī)械陀螺儀
- 來(lái)源：
- 第十二屆“挑戰(zhàn)杯”作品
- 小類：
- 信息技術(shù)
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡(jiǎn)介：
- 本項(xiàng)目研究的目標(biāo)就是實(shí)現(xiàn)陀螺儀的產(chǎn)品化、生產(chǎn)化。本項(xiàng)目采用的陀螺儀相比于傳統(tǒng)的陀螺儀有顯著的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)，傳統(tǒng)的陀螺儀多采用靜電驅(qū)動(dòng)電容檢測(cè)，電容式的陀螺儀缺點(diǎn)是顯而易見(jiàn)的，如驅(qū)動(dòng)力小、檢測(cè)電路復(fù)雜、襯底必須可導(dǎo)電等。而本項(xiàng)目所設(shè)計(jì)的陀螺儀完全把這些缺點(diǎn)轉(zhuǎn)化成了優(yōu)點(diǎn)，而且首次實(shí)現(xiàn)了電子器件RTD和陀螺儀的結(jié)合，為制作高靈敏度陀螺儀開(kāi)創(chuàng)了先河和指引方向，也為現(xiàn)實(shí)我國(guó)自主開(kāi)發(fā)研制可實(shí)用性陀螺儀打下基礎(chǔ)。
- 詳細(xì)介紹：
- 本項(xiàng)目是把傳統(tǒng)的、普通的、經(jīng)典的、大家所熟知的物理原理結(jié)合到了微觀領(lǐng)域，以實(shí)現(xiàn)宏觀和微觀的穿插結(jié)合，綜合兩個(gè)領(lǐng)域的優(yōu)點(diǎn)，又采用了介觀壓阻的檢測(cè)方式，使得三個(gè)不同領(lǐng)域交叉結(jié)合，全面而具體的、形象的把三個(gè)抽象的領(lǐng)域具體化、可見(jiàn)化的呈現(xiàn)在民眾面前。原理部分：微機(jī)械陀螺儀有驅(qū)動(dòng)方向和檢測(cè)方向，本項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)采用了電磁驅(qū)動(dòng)，具體就是當(dāng)一根通有電流的導(dǎo)線在磁場(chǎng)中時(shí)，由安培力知，導(dǎo)線必然會(huì)在安培力的作用力下運(yùn)動(dòng)，這就是我們驅(qū)動(dòng)的原理，既簡(jiǎn)單又可行。驅(qū)動(dòng)反饋也是運(yùn)用經(jīng)典的物理現(xiàn)象，當(dāng)一根導(dǎo)線在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)線中會(huì)產(chǎn)生電流，也就是陀螺儀在驅(qū)動(dòng)力下運(yùn)動(dòng)時(shí)，我們?cè)谄渖现谱鲗?dǎo)線，使其在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，這時(shí)導(dǎo)線中就會(huì)產(chǎn)生電流，通過(guò)對(duì)此電流的分析可知驅(qū)動(dòng)頻率的大小，可以精確的控制驅(qū)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)力的穩(wěn)定。本項(xiàng)目的一大明顯優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)，乃至創(chuàng)新點(diǎn)就是采用了介觀壓阻檢測(cè)，所謂的介觀壓阻檢測(cè)就是電子器件RTD當(dāng)我們利用其制作成多層納米膜結(jié)構(gòu)時(shí)，其電子遷移率明顯提高，而且其負(fù)阻區(qū)的特性正是我們所要利用的特點(diǎn)，我們所制作的多層納米膜共振遂穿RTD相比傳統(tǒng)的壓阻條式，其壓阻系數(shù)高至少一個(gè)數(shù)量級(jí)，為我們陀螺儀的壓阻檢測(cè)提供了更可靠的條件和機(jī)遇。因本設(shè)計(jì)的陀螺儀既不采用靜電驅(qū)動(dòng)也不采用電容檢測(cè)而是采用電磁驅(qū)動(dòng)和介觀壓阻檢測(cè)――類壓阻檢測(cè)，從而其驅(qū)動(dòng)電路和檢測(cè)電路相比電容式要簡(jiǎn)單的多，這樣最大的優(yōu)勢(shì)就是外界電路的影響降到最低點(diǎn)，同時(shí)加工結(jié)構(gòu)也簡(jiǎn)單，相比電容式本項(xiàng)目所設(shè)計(jì)的陀螺儀有以下優(yōu)點(diǎn); 1、電磁驅(qū)動(dòng)大于靜電驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)力大 2、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易加工 3、驅(qū)動(dòng)電路和檢測(cè)電路簡(jiǎn)單 4、檢測(cè)方向的靈敏度大 5、襯底材料的選擇性大，開(kāi)拓了陀螺儀的應(yīng)用范圍除以上優(yōu)點(diǎn)之外，本陀螺儀有其自身的特點(diǎn): 1、介觀壓阻檢測(cè)，其壓阻系數(shù)高傳統(tǒng)壓阻至少一個(gè)數(shù)量級(jí)，溫度系數(shù)很小 2、采用砷化鎵襯底，砷化鎵材料的高頻特性和光電特性很有優(yōu)勢(shì) 3、采用回折梁結(jié)構(gòu)有效的實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)方向和檢測(cè)方向的解耦 4、質(zhì)量塊上的小阻尼孔大大的減小了檢測(cè)方向的阻尼，提高了檢測(cè)方向的品質(zhì)因子
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 設(shè)計(jì)目的：設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單靈敏性高、精度好的可實(shí)際應(yīng)用的陀螺儀?；舅悸罚簜鹘y(tǒng)的微機(jī)械陀螺儀多是以靜電驅(qū)動(dòng)電容檢測(cè)，其驅(qū)動(dòng)力微弱檢測(cè)電路復(fù)雜而且不宜加工，使得微陀螺儀一直無(wú)法跳出實(shí)驗(yàn)室，一直處于實(shí)驗(yàn)階段，而本設(shè)計(jì)的電磁驅(qū)動(dòng)介觀壓阻檢測(cè)陀螺儀驅(qū)動(dòng)力大，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易加工而且檢測(cè)靈敏度高，使我國(guó)的微機(jī)械陀螺儀現(xiàn)實(shí)化成為可能。創(chuàng)新點(diǎn)：本設(shè)計(jì)采用了電子器件RTD做為檢測(cè)單元，其在負(fù)阻區(qū)的特性使得陀螺儀的檢測(cè)靈敏度高了至少一個(gè)數(shù)量級(jí)，電磁驅(qū)動(dòng)方式也使得整個(gè)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易加工。技術(shù)關(guān)鍵：利用MBE生長(zhǎng)RTD 結(jié)構(gòu)，利用傳統(tǒng)的MEMS加工方式加工結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)二者的工藝兼容。主要技術(shù)指標(biāo)：RTD的I－V特性，陀螺儀的靈敏性、檢測(cè)方向的靈敏性
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 先進(jìn)性和科學(xué)性：本作品微機(jī)械陀螺儀完美的詮釋了哥氏效應(yīng)，其檢測(cè)單元利用高電子遷移率的電子器件RTD的負(fù)阻效應(yīng)，完美的獨(dú)道的結(jié)合了電子器件和微機(jī)械陀螺儀結(jié)構(gòu)，乃是國(guó)內(nèi)外的首次嘗試，在理論上有很明顯的進(jìn)步、技術(shù)上有明顯的可行性和實(shí)際研究應(yīng)用中有明顯的現(xiàn)實(shí)性，這只是其中一個(gè)優(yōu)勢(shì)，該陀螺儀采用了不同與傳統(tǒng)的大多采用的驅(qū)動(dòng)方式，它利用了電磁驅(qū)動(dòng)，很明顯驅(qū)動(dòng)力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于普通的靜電驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電路也因此簡(jiǎn)化，而且其采用的是類壓阻方式檢測(cè)，因此其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單檢測(cè)電路簡(jiǎn)單是必然的結(jié)果，種種這些使得其該陀螺儀優(yōu)勢(shì)明顯可靠，可謂步步領(lǐng)先。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 2011年第16屆固態(tài)傳感器、執(zhí)行器與微系統(tǒng)國(guó)際會(huì)（北京）
作品所處階段
- 中試階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 合作者生產(chǎn)或技術(shù)轉(zhuǎn)讓
作品可展示的形式
- 圖片、錄像、樣品
使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)：該陀螺儀采用了電子器件RTD來(lái)做為敏感檢測(cè)單元，利用其在負(fù)阻區(qū)時(shí)的特性來(lái)實(shí)現(xiàn)陀螺儀的高靈敏檢測(cè)（比傳統(tǒng)的壓阻檢測(cè)高至少一個(gè)數(shù)量級(jí)），而且本陀螺儀采用了電磁驅(qū)動(dòng)，明顯的大驅(qū)動(dòng)力和簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)加工特性使其在國(guó)內(nèi)外的陀螺儀研究中顯得特別超前和實(shí)用。適用范圍及推廣前景：本作品研究的方向標(biāo)就是為我國(guó)的國(guó)防軍事開(kāi)一只鷹眼，為導(dǎo)彈精確制導(dǎo)多一次機(jī)會(huì)，實(shí)現(xiàn)我國(guó)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的高精度、高靈敏性和高可靠性。就民用實(shí)際來(lái)說(shuō)，最形象的、最具體可效仿的就是高靈敏性的陀螺儀可以實(shí)現(xiàn)ipone4的炫酷特性。就此它可應(yīng)用于軍、商、民和你和我。市場(chǎng)分析和經(jīng)濟(jì)效應(yīng)：沒(méi)有陀螺儀就沒(méi)有ipone4的炫酷特性，就不會(huì)有持續(xù)不下的價(jià)格，ipone4的市場(chǎng)就是陀螺儀的市場(chǎng)的最好樣板，陀螺儀的應(yīng)用化必然也會(huì)使國(guó)民生活更加舒適，國(guó)民生活的舒適是經(jīng)濟(jì)效應(yīng)的最好的體現(xiàn)。
同類課題研究水平概述
- 近年來(lái)國(guó)內(nèi)外對(duì)陀螺儀的研究一直處于緊羅密布的狀況。以下簡(jiǎn)單的介紹一下國(guó)內(nèi)外的現(xiàn)狀：國(guó)外研究現(xiàn)狀： 2008年，赫爾辛基技術(shù)大學(xué)報(bào)到了一種體加工電容陀螺，該陀螺具有ASIC接口控制電路，實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果顯示，陀螺輸出的噪聲為0.042°/s/Hz1/2，信噪比（SNR）為-51.6dB。硅振環(huán)式陀螺具有全對(duì)稱結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，抗沖擊能力強(qiáng)，能夠抗過(guò)載20000g，其工作原理從早期的電磁驅(qū)動(dòng)改進(jìn)為現(xiàn)在的靜電驅(qū)動(dòng)，這樣的改進(jìn)很大程度的簡(jiǎn)化了微機(jī)械敏感結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，這種方案的硅陀螺已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了10~20°/h的檢測(cè)精度，通過(guò)電路的改進(jìn)和振環(huán)直徑的增加，希望進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)1°/h以內(nèi)的檢測(cè)精度。國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀：我國(guó)的MEMS技術(shù)研究工作起步于1989年。雖然起步較晚，但正積極開(kāi)展研究，從1995年末開(kāi)始，國(guó)防科工委便投入6000萬(wàn)元以上的經(jīng)費(fèi)主要用于慣性器件的基礎(chǔ)性研究，并且硅微機(jī)械陀螺技術(shù)已納入863計(jì)劃中。經(jīng)過(guò)十多年的努力，我國(guó)在MEMS基礎(chǔ)理論、加工技術(shù)和工程應(yīng)用等方面的研究已取得了明顯的進(jìn)步。2006年，中科院微系統(tǒng)信息技術(shù)研究所傳感器國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研制了一種基于空氣滑膜阻尼效應(yīng)的微機(jī)械陀螺，該陀螺在大氣環(huán)境下測(cè)試的靈敏度為9.8mV/°/s，非線性為0.43%。國(guó)際上針對(duì)MEMS微機(jī)械陀螺的研究已經(jīng)具有一定的成果，并且已有許多可商用化的微機(jī)械陀螺產(chǎn)品，而國(guó)內(nèi)的研究仍處于實(shí)驗(yàn)室階段，未見(jiàn)到可商用化微機(jī)械陀螺相關(guān)文獻(xiàn)或報(bào)道，因此仍需進(jìn)一步支持與研究。
