基于介观压光效应的微机械陀螺设计与研究

作     者：朱京 

作者单位：中北大学 

学位级别：硕士

导师姓名：温廷敦

授予年度：2015年

学科分类：08[工学] 080401[工学-精密仪器及机械] 081105[工学-导航、制导与控制] 0804[工学-仪器科学与技术] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 0811[工学-控制科学与工程] 

主      题：介观压光效应 光子晶体 微陀螺 静电驱动 阻尼系数 

摘      要：微机械陀螺在消费电子、现代工业控制、航空航天，国防军事等领域具有广泛的应用并且发挥着重要作用，但是，由于现有检测原理的局限性，很难进一步提高微陀螺检测精度，急需开展新效应检测原理的微陀螺技术研究。介观压光效应以光子在光子晶体中的传播特性为研究对象，微弱的力学信号将使光子晶体光量子阱共振隧穿透射峰发生显著的改变，由于光子的运动为光速，静止质量为零，之间没有相互作用力，而光子晶体可控制光子的运动，用光子晶体的介观压光效应能够克服现有检测原理的不足，从根本上提高MEMS陀螺的检测灵敏度。 本文对MEMS微陀螺以及光子晶体介观压光效应的理论基础进行了分析讨论，应用传输矩阵法对镜像三周期一维光子晶体的光学特性进行了分析，给出了该光子晶体的介观压光系数，并论证了将其应用于微陀螺的实现方案。 提出了一种结构新颖的静电梳齿驱动介观压光效应检测的微机械陀螺，对其工作原理进行了论述，基于材料力学基本原理对微陀螺的结构参数进行了推算讨论，并应用有限元的方法对微陀螺结构参数进行了优化设计。通过对微陀螺的动态特性、灵敏度特性以及阻尼特性等进行仿真分析，论证了设计的合理性，该微陀螺频率匹配良好，较好的实现了工作模态的自解耦，能够保证微弱科氏力的高灵敏检测，其透射率灵敏度可达到73μ/°/s。 结合微陀螺的结构特点以及前期积累的工艺经验，基于体硅工艺及镶嵌技术对硅基介观压光型微机械陀螺的加工工艺进行了研究，设计了微陀螺加工工艺流程以及相对应版图结构，并应用CoventorWare软件验证了所设计工艺流程的可行性。