基本信息
- 项目名称：
- 电磁驱动介观压阻检测微机械陀螺仪
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 信息技术
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 本项目研究的目标就是实现陀螺仪的产品化、生产化。本项目采用的陀螺仪相比于传统的陀螺仪有显著的优势和特点，传统的陀螺仪多采用静电驱动电容检测，电容式的陀螺仪缺点是显而易见的，如驱动力小、检测电路复杂、衬底必须可导电等。而本项目所设计的陀螺仪完全把这些缺点转化成了优点，而且首次实现了电子器件RTD和陀螺仪的结合，为制作高灵敏度陀螺仪开创了先河和指引方向，也为现实我国自主开发研制可实用性陀螺仪打下基础。
- 详细介绍：
- 本项目是把传统的、普通的、经典的、大家所熟知的物理原理结合到了微观领域，以实现宏观和微观的穿插结合，综合两个领域的优点，又采用了介观压阻的检测方式，使得三个不同领域交叉结合，全面而具体的、形象的把三个抽象的领域具体化、可见化的呈现在民众面前。原理部分：微机械陀螺仪有驱动方向和检测方向，本项目驱动采用了电磁驱动，具体就是当一根通有电流的导线在磁场中时，由安培力知，导线必然会在安培力的作用力下运动，这就是我们驱动的原理，既简单又可行。驱动反馈也是运用经典的物理现象，当一根导线在磁场中运动时，导线中会产生电流，也就是陀螺仪在驱动力下运动时，我们在其上制作导线，使其在磁场中运动，这时导线中就会产生电流，通过对此电流的分析可知驱动频率的大小，可以精确的控制驱动，以实现驱动力的稳定。本项目的一大明显优势和特点，乃至创新点就是采用了介观压阻检测，所谓的介观压阻检测就是电子器件RTD当我们利用其制作成多层纳米膜结构时，其电子迁移率明显提高，而且其负阻区的特性正是我们所要利用的特点，我们所制作的多层纳米膜共振遂穿RTD相比传统的压阻条式，其压阻系数高至少一个数量级，为我们陀螺仪的压阻检测提供了更可靠的条件和机遇。因本设计的陀螺仪既不采用静电驱动也不采用电容检测而是采用电磁驱动和介观压阻检测――类压阻检测，从而其驱动电路和检测电路相比电容式要简单的多，这样最大的优势就是外界电路的影响降到最低点，同时加工结构也简单，相比电容式本项目所设计的陀螺仪有以下优点; 1、电磁驱动大于静电驱动，驱动力大 2、结构简单易加工 3、驱动电路和检测电路简单 4、检测方向的灵敏度大 5、衬底材料的选择性大，开拓了陀螺仪的应用范围除以上优点之外，本陀螺仪有其自身的特点: 1、介观压阻检测，其压阻系数高传统压阻至少一个数量级，温度系数很小 2、采用砷化镓衬底，砷化镓材料的高频特性和光电特性很有优势 3、采用回折梁结构有效的实现了驱动方向和检测方向的解耦 4、质量块上的小阻尼孔大大的减小了检测方向的阻尼，提高了检测方向的品质因子
作品图片
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 设计目的：设计一种结构简单灵敏性高、精度好的可实际应用的陀螺仪。基本思路：传统的微机械陀螺仪多是以静电驱动电容检测，其驱动力微弱检测电路复杂而且不宜加工，使得微陀螺仪一直无法跳出实验室，一直处于实验阶段，而本设计的电磁驱动介观压阻检测陀螺仪驱动力大，结构简单易加工而且检测灵敏度高，使我国的微机械陀螺仪现实化成为可能。创新点：本设计采用了电子器件RTD做为检测单元，其在负阻区的特性使得陀螺仪的检测灵敏度高了至少一个数量级，电磁驱动方式也使得整个结构简单易加工。技术关键：利用MBE生长RTD 结构，利用传统的MEMS加工方式加工结构实现二者的工艺兼容。主要技术指标：RTD的I－V特性，陀螺仪的灵敏性、检测方向的灵敏性
科学性、先进性
- 先进性和科学性：本作品微机械陀螺仪完美的诠释了哥氏效应，其检测单元利用高电子迁移率的电子器件RTD的负阻效应，完美的独道的结合了电子器件和微机械陀螺仪结构，乃是国内外的首次尝试，在理论上有很明显的进步、技术上有明显的可行性和实际研究应用中有明显的现实性，这只是其中一个优势，该陀螺仪采用了不同与传统的大多采用的驱动方式，它利用了电磁驱动，很明显驱动力要远远大于普通的静电驱动，驱动电路也因此简化，而且其采用的是类压阻方式检测，因此其结构简单检测电路简单是必然的结果，种种这些使得其该陀螺仪优势明显可靠，可谓步步领先。
获奖情况及鉴定结果
- 2011年第16届固态传感器、执行器与微系统国际会（北京）
作品所处阶段
- 中试阶段
技术转让方式
- 合作者生产或技术转让
作品可展示的形式
- 图片、录像、样品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 技术特点和优势：该陀螺仪采用了电子器件RTD来做为敏感检测单元，利用其在负阻区时的特性来实现陀螺仪的高灵敏检测（比传统的压阻检测高至少一个数量级），而且本陀螺仪采用了电磁驱动，明显的大驱动力和简单的结构加工特性使其在国内外的陀螺仪研究中显得特别超前和实用。适用范围及推广前景：本作品研究的方向标就是为我国的国防军事开一只鹰眼，为导弹精确制导多一次机会，实现我国惯性导航系统的高精度、高灵敏性和高可靠性。就民用实际来说，最形象的、最具体可效仿的就是高灵敏性的陀螺仪可以实现ipone4的炫酷特性。就此它可应用于军、商、民和你和我。市场分析和经济效应：没有陀螺仪就没有ipone4的炫酷特性，就不会有持续不下的价格，ipone4的市场就是陀螺仪的市场的最好样板，陀螺仪的应用化必然也会使国民生活更加舒适，国民生活的舒适是经济效应的最好的体现。
同类课题研究水平概述
- 近年来国内外对陀螺仪的研究一直处于紧罗密布的状况。以下简单的介绍一下国内外的现状：国外研究现状： 2008年，赫尔辛基技术大学报到了一种体加工电容陀螺，该陀螺具有ASIC接口控制电路，实验测试结果显示，陀螺输出的噪声为0.042°/s/Hz1/2，信噪比（SNR）为-51.6dB。硅振环式陀螺具有全对称结构的特点，抗冲击能力强，能够抗过载20000g，其工作原理从早期的电磁驱动改进为现在的静电驱动，这样的改进很大程度的简化了微机械敏感结构的设计，这种方案的硅陀螺已经实现了10~20°/h的检测精度，通过电路的改进和振环直径的增加，希望进一步实现1°/h以内的检测精度。国内研究现状：我国的MEMS技术研究工作起步于1989年。虽然起步较晚，但正积极开展研究，从1995年末开始，国防科工委便投入6000万元以上的经费主要用于惯性器件的基础性研究，并且硅微机械陀螺技术已纳入863计划中。经过十多年的努力，我国在MEMS基础理论、加工技术和工程应用等方面的研究已取得了明显的进步。2006年，中科院微系统信息技术研究所传感器国家重点实验室研制了一种基于空气滑膜阻尼效应的微机械陀螺，该陀螺在大气环境下测试的灵敏度为9.8mV/°/s，非线性为0.43%。国际上针对MEMS微机械陀螺的研究已经具有一定的成果，并且已有许多可商用化的微机械陀螺产品，而国内的研究仍处于实验室阶段，未见到可商用化微机械陀螺相关文献或报道，因此仍需进一步支持与研究。
