《超磁致伸縮固體振子MEMS微陀螺的研究》是依託上海交通大學，由崔峰擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：超磁致伸縮固體振子MEMS微陀螺的研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：崔峰
- 依託單位：上海交通大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
微型固態振動陀螺結構簡單，抗衝擊能力強，適合MEMS技術製作，是一種極具發展潛力的新型陀螺儀。相比帶支懸樑的微機械振動陀螺，本項目創造性地將超磁致伸縮材料整體作為振子，基於MEMS技術製成無支懸樑的固體微陀螺，主要特點如下：（1）超磁致伸縮體伸縮振幅大，可極大提高微陀螺檢測的靈敏度；（2）結構簡單，無支撐梁，抗衝擊抗震動能力強;（3）易於微加工批量製造，對真空封裝無特殊要求；（4）驅動電壓低，起振時間極短，因而陀螺啟動時間短。（5）將巨磁阻（GMR）敏感元件集成於陀螺本體上，提高了檢測解析度，且體積小；（6）可同時測量二軸角速率。本項目主要對超磁致伸縮固體微陀螺的工作機理、機電磁系統仿真、結構最佳化設計、基於非矽MEMS技術的製造工藝以及測控方法進行深入研究，為實現較高測量靈敏度的、多軸微固體陀螺裝置奠定理論與實驗基礎。本項目屬機械、材料、測控、電子等交叉學科課題，學術價值高，套用前景廣泛。
結題摘要
MEMS陀螺是陀螺儀發展的一個重要方向。不同於發展成熟的支懸樑-活動質量塊結構的振動微陀螺，本項目提出了一種基於超磁致伸縮材料塊體的固體振子雙輸入軸微陀螺，其結構簡單，無支撐梁，抗衝擊振動能力強；藉助於超磁致伸縮材料(GMM)的大應變振動特性，其測量靈敏度高。 本項目主要對超磁致伸縮固體微陀螺的振動模態、結構設計、機電磁系統仿真、製造工藝以及測控方法進行研究，為實現微陀螺裝置奠定理論與實驗基礎。本項目的實施取得了預期成果，主要總結為： 1、微陀螺的設計和仿真。根據GMM數理模型，採用更具擴展性的弱解方程方法，利用COMSOL軟體計算了GMM振子的振動工作模態，結果與壓電-壓磁比擬法的相近。微陀螺的設計結構由GMM方體振子、平面線圈定子、偏置永磁體和GMR感測器組成，進行了部件選用和設計。採用磁矢勢弱解方程法對通電平面線圈和永磁體的空間磁場分布進行了系統級仿真。 2、微陀螺表頭的製造。採用濺射、光刻、電鍍等MEMS工藝，獲得了多種線寬和匝數的驅動平面線圈定子。對集成厚金屬結構的發煙硫酸氧化刻蝕去除SU-8膠模的技術深入試驗研究，獲得了刻除SU-8膠模的速率曲線，從而提供了一次浸入發煙硫酸乾淨刻除SU-8膠模的時間，避免了反覆取出觀測或過刻對金屬結構的腐蝕；成功集成了厚達500μm的電鑄鎳微結構。根據設計結構，成功組裝了長寬高尺寸之和不大於20mm的磁致伸縮固體振子微陀螺表頭。 3、微陀螺的驅動及檢測電路。為微陀螺表頭設計了激勵信號發生電路（採用DDS晶片）、恆電流輸出線圈驅動電路、GMR磁場信號檢測電路和信號解調處理電路，進行了電路仿真分析和PCB板製作。 4、微陀螺的測試實驗。利用LCR儀測量了定子平面線圈的阻抗，為表頭中上下定子驅動線圈的配對選取提供參考。採用鎖相放大器分別利用定子平面線圈和繞制線圈進行掃頻激勵，測量了GMM體振子的阻抗頻率特性曲線，二者測得微陀螺GMM振子的工作諧振頻率基本相同，證明了本微陀螺採用雙側平面線圈的激振方式使GMM振子工作在驅動諧振頻率上是可行的。對微陀螺表頭及其測控電路進行了聯調，發現微陀螺能靈敏地檢測輸入角速度的變化，證明了設計結構及其實現方案在原理上是可行的。 上述研究成果已發表6篇學術論文，其中SCI/EI已檢索英文論文5篇；申請發明專利2項；培養畢業碩士生2名。
