基本信息
- 項目名稱：
- 電磁驅動介觀壓阻檢測微機械陀螺儀
- 小類：
- 信息技術
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 本項目研究的目標就是實現(xiàn)陀螺儀的產(chǎn)品化、生產(chǎn)化。本項目采用的陀螺儀相比于傳統(tǒng)的陀螺儀有顯著的優(yōu)勢和特點，傳統(tǒng)的陀螺儀多采用靜電驅動電容檢測，電容式的陀螺儀缺點是顯而易見的，如驅動力小、檢測電路復雜、襯底必須可導電等。而本項目所設計的陀螺儀完全把這些缺點轉化成了優(yōu)點，而且首次實現(xiàn)了電子器件RTD和陀螺儀的結合，為制作高靈敏度陀螺儀開創(chuàng)了先河和指引方向，也為現(xiàn)實我國自主開發(fā)研制可實用性陀螺儀打下基礎。
- 詳細介紹：
- 本項目是把傳統(tǒng)的、普通的、經(jīng)典的、大家所熟知的物理原理結合到了微觀領域，以實現(xiàn)宏觀和微觀的穿插結合，綜合兩個領域的優(yōu)點，又采用了介觀壓阻的檢測方式，使得三個不同領域交叉結合，全面而具體的、形象的把三個抽象的領域具體化、可見化的呈現(xiàn)在民眾面前。原理部分：微機械陀螺儀有驅動方向和檢測方向，本項目驅動采用了電磁驅動，具體就是當一根通有電流的導線在磁場中時，由安培力知，導線必然會在安培力的作用力下運動，這就是我們驅動的原理，既簡單又可行。驅動反饋也是運用經(jīng)典的物理現(xiàn)象，當一根導線在磁場中運動時，導線中會產(chǎn)生電流，也就是陀螺儀在驅動力下運動時，我們在其上制作導線，使其在磁場中運動，這時導線中就會產(chǎn)生電流，通過對此電流的分析可知驅動頻率的大小，可以精確的控制驅動，以實現(xiàn)驅動力的穩(wěn)定。本項目的一大明顯優(yōu)勢和特點，乃至創(chuàng)新點就是采用了介觀壓阻檢測，所謂的介觀壓阻檢測就是電子器件RTD當我們利用其制作成多層納米膜結構時，其電子遷移率明顯提高，而且其負阻區(qū)的特性正是我們所要利用的特點，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)高至少一個數(shù)量級，為我們陀螺儀的壓阻檢測提供了更可靠的條件和機遇。因本設計的陀螺儀既不采用靜電驅動也不采用電容檢測而是采用電磁驅動和介觀壓阻檢測――類壓阻檢測，從而其驅動電路和檢測電路相比電容式要簡單的多，這樣最大的優(yōu)勢就是外界電路的影響降到最低點，同時加工結構也簡單，相比電容式本項目所設計的陀螺儀有以下優(yōu)點; 1、電磁驅動大于靜電驅動，驅動力大 2、結構簡單易加工 3、驅動電路和檢測電路簡單 4、檢測方向的靈敏度大 5、襯底材料的選擇性大，開拓了陀螺儀的應用范圍除以上優(yōu)點之外，本陀螺儀有其自身的特點: 1、介觀壓阻檢測，其壓阻系數(shù)高傳統(tǒng)壓阻至少一個數(shù)量級，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 3、采用回折梁結構有效的實現(xiàn)了驅動方向和檢測方向的解耦 4、質量塊上的小阻尼孔大大的減小了檢測方向的阻尼，提高了檢測方向的品質因子
作品圖片
作品專業(yè)信息
設計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術關鍵和主要技術指標
- 設計目的：設計一種結構簡單靈敏性高、精度好的可實際應用的陀螺儀。基本思路：傳統(tǒng)的微機械陀螺儀多是以靜電驅動電容檢測，其驅動力微弱檢測電路復雜而且不宜加工，使得微陀螺儀一直無法跳出實驗室，一直處于實驗階段，而本設計的電磁驅動介觀壓阻檢測陀螺儀驅動力大，結構簡單易加工而且檢測靈敏度高，使我國的微機械陀螺儀現(xiàn)實化成為可能。創(chuàng)新點：本設計采用了電子器件RTD做為檢測單元，其在負阻區(qū)的特性使得陀螺儀的檢測靈敏度高了至少一個數(shù)量級，電磁驅動方式也使得整個結構簡單易加工。技術關鍵：利用MBE生長RTD 結構，利用傳統(tǒng)的MEMS加工方式加工結構實現(xiàn)二者的工藝兼容。主要技術指標：RTD的I－V特性，陀螺儀的靈敏性、檢測方向的靈敏性
科學性、先進性
- 先進性和科學性：本作品微機械陀螺儀完美的詮釋了哥氏效應，其檢測單元利用高電子遷移率的電子器件RTD的負阻效應，完美的獨道的結合了電子器件和微機械陀螺儀結構，乃是國內(nèi)外的首次嘗試，在理論上有很明顯的進步、技術上有明顯的可行性和實際研究應用中有明顯的現(xiàn)實性，這只是其中一個優(yōu)勢，該陀螺儀采用了不同與傳統(tǒng)的大多采用的驅動方式，它利用了電磁驅動，很明顯驅動力要遠遠大于普通的靜電驅動，驅動電路也因此簡化，而且其采用的是類壓阻方式檢測，因此其結構簡單檢測電路簡單是必然的結果，種種這些使得其該陀螺儀優(yōu)勢明顯可靠，可謂步步領先。
獲獎情況及鑒定結果
- 2011年第16屆固態(tài)傳感器、執(zhí)行器與微系統(tǒng)國際會（北京）
作品所處階段
- 中試階段
技術轉讓方式
- 合作者生產(chǎn)或技術轉讓
作品可展示的形式
- 圖片、錄像、樣品
使用說明,技術特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預測
- 技術特點和優(yōu)勢：該陀螺儀采用了電子器件RTD來做為敏感檢測單元，利用其在負阻區(qū)時的特性來實現(xiàn)陀螺儀的高靈敏檢測（比傳統(tǒng)的壓阻檢測高至少一個數(shù)量級），而且本陀螺儀采用了電磁驅動，明顯的大驅動力和簡單的結構加工特性使其在國內(nèi)外的陀螺儀研究中顯得特別超前和實用。適用范圍及推廣前景：本作品研究的方向標就是為我國的國防軍事開一只鷹眼，為導彈精確制導多一次機會，實現(xiàn)我國慣性導航系統(tǒng)的高精度、高靈敏性和高可靠性。就民用實際來說，最形象的、最具體可效仿的就是高靈敏性的陀螺儀可以實現(xiàn)ipone4的炫酷特性。就此它可應用于軍、商、民和你和我。市場分析和經(jīng)濟效應：沒有陀螺儀就沒有ipone4的炫酷特性，就不會有持續(xù)不下的價格，ipone4的市場就是陀螺儀的市場的最好樣板，陀螺儀的應用化必然也會使國民生活更加舒適，國民生活的舒適是經(jīng)濟效應的最好的體現(xiàn)。
同類課題研究水平概述
- 近年來國內(nèi)外對陀螺儀的研究一直處于緊羅密布的狀況。以下簡單的介紹一下國內(nèi)外的現(xiàn)狀：國外研究現(xiàn)狀： 2008年，赫爾辛基技術大學報到了一種體加工電容陀螺，該陀螺具有ASIC接口控制電路，實驗測試結果顯示，陀螺輸出的噪聲為0.042°/s/Hz1/2，信噪比（SNR）為-51.6dB。硅振環(huán)式陀螺具有全對稱結構的特點，抗沖擊能力強，能夠抗過載20000g，其工作原理從早期的電磁驅動改進為現(xiàn)在的靜電驅動，這樣的改進很大程度的簡化了微機械敏感結構的設計，這種方案的硅陀螺已經(jīng)實現(xiàn)了10~20°/h的檢測精度，通過電路的改進和振環(huán)直徑的增加，希望進一步實現(xiàn)1°/h以內(nèi)的檢測精度。國內(nèi)研究現(xiàn)狀：我國的MEMS技術研究工作起步于1989年。雖然起步較晚，但正積極開展研究，從1995年末開始，國防科工委便投入6000萬元以上的經(jīng)費主要用于慣性器件的基礎性研究，并且硅微機械陀螺技術已納入863計劃中。經(jīng)過十多年的努力，我國在MEMS基礎理論、加工技術和工程應用等方面的研究已取得了明顯的進步。2006年，中科院微系統(tǒng)信息技術研究所傳感器國家重點實驗室研制了一種基于空氣滑膜阻尼效應的微機械陀螺，該陀螺在大氣環(huán)境下測試的靈敏度為9.8mV/°/s，非線性為0.43%。國際上針對MEMS微機械陀螺的研究已經(jīng)具有一定的成果，并且已有許多可商用化的微機械陀螺產(chǎn)品，而國內(nèi)的研究仍處于實驗室階段，未見到可商用化微機械陀螺相關文獻或報道，因此仍需進一步支持與研究。
