液浮支撑球碟转子式微陀螺：惯性器件新突破

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微机电系统（MEMS）是在微电子技术（半导体制造技术）基础上发展起来的集微传感器、微执行器、微机械结构、微电源微能源、信号处理和控制电路、高性能电子集成器件、接口、通信等于一体的微型器件或系统。MEMS是一项革命性的新技术，广泛应用于高新技术产业，是一项关系到国家的科技发展、经济繁荣和国防安全的关键技术。

其中，MEMS惯性器件在消费类电子中的推广应用已获得了巨大成功，同时又具有重要的国防应用前景。目前，在国防领域，美国约90%以上的战术武器将采用MEMS惯性器件。我国战术武器的发展也同样存在着对高性能MEMS惯性器件的迫切需求，但目前只能采用昂贵的光纤和激光陀螺，国内尚无实用化的高性能MEMS陀螺可用，这严重制约着我国国防武器的发展。在航空、航天领域，导航和姿态控制系统中大部分使用的都是光纤和激光陀螺，高性能MEMS陀螺有望大幅度降低惯性导航系统中陀螺体积、重量和成本。

MEMS硅陀螺是当前MEMS惯性器件研究的热点。早期振动式微机械陀螺精度很低，为提高振动式微机械陀螺的精度，人们采用了驱动模态和检测模态相匹配、真空封装等方法，使其动态范围得到了拓展。振动式MEMS陀螺活动质量块较轻，通常为毫克量级，同时受结构尺寸与运动方式的限制，结构振动幅度较小，振动速度较慢，结构产生的哥氏力相对较小，限制了振动式MEMS陀螺灵敏度的提高。MEMS振动式陀螺受结构尺寸与工作方式的限制，偏置稳定性长期停滞在1度/小时左右，很难进一步提高。

近年来，为有效提高微陀螺敏感结构的运动速度及哥氏力，研究人员提出转子式微陀螺，利用电磁力（或静电力）使转子悬浮于平衡位置，通过静电力或电磁力使转子旋转，获得恒定角动量，在哥氏力的作用下转子偏转产生陀螺效应。悬浮式微陀螺与振动式微陀螺相比，运动线速度提高约2～3个数量级。根据哥氏力公式，转动式微陀螺理论上具有更高的灵敏度。2008年一种静电悬浮转子式微陀螺被提出，设计转子转速1万转/分，预计噪声可降低至0.0278度/秒。但是，受尺寸减小的影响，转子的悬浮稳定性很难控制，其性能还没达到目前振动式微机械陀螺水平。 

球碟转子式微陀螺原理示意图

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哈尔滨工业大学研究团队提出了一种运动界面纳米效应减阻的球碟转子式新型微陀螺，通过微纳结合的方式提高微陀螺性能，实现了微机械陀螺技术的新突破。

为提高转子悬浮稳定性，研究团队提出了一种基于界面纳米效应的液浮转子式微机械陀螺。该陀螺利用磁场力实现转子的悬浮，通过转子表面纳米处理，改善界面浸润和粘附性降低固液界面粘滞阻力，提高了转子的转速；理论测算表明，该原理的陀螺相对于目前振动式微机械陀螺灵敏度有望提高两个数量级以上。但其运动界面对陀螺转子运动速度以及运动稳定性有明显的影响。如何通过转子表面纳米处理对其浸润性和粘附性进行有效调控，降低器件运动界面阻力已经成为实现陀螺高性能的关键。

为此，国家重大科学研究计划“微纳惯性器件运动界面纳米效应基础问题研究”围绕高性能惯性器件发展中的4个关键科学问题（限域空间内微纳结构运动界面纳米效应及调控、微纳惯性器件跨尺度制造机理与控制、微纳结构运动界面的物理特性表征、运动界面纳米效应与微纳惯性器件性能的相关性）展开了研究。

项目组根据前期阶段性研究成果，提出了一种全新的微陀螺集成化方案，微陀螺结构采用转子直接驱动、具有磁自平衡和纳米减阻效应的新型球碟转子式陀螺，检测采用全新的时分/频分复用电容检测电路，驱动采用多相多拍的、具有Bu ck调压功能的新型驱动技术。相对于振动式微机械陀螺，具有较大的质量块和线速度，相对于静电悬浮或磁悬浮转子式微机械陀螺，具有更高的旋转速度、旋转稳定性和检测灵敏度。它是国际上高性能微惯性器件研究的新突破。

• 首先在微陀螺原理与结构方面有重大突破。项目组提出的球碟转子式微陀螺结构，在球表面制备微纳减阻结构，在球和球穴中填充液体，利用运动界面纳米效应减小转子的固液界面阻力。通过圆盘面和检测电极之间形成的差动电容实现微陀螺检测，采用磁驱动技术实现转子高速旋转。该转子能够进行二自由度的微小位移自由偏转，具有二轴陀螺效应。转子的上下两面对称布置8个电极构成4对差动电容，用于检测x与y方向的轴向偏转与静电力伺服控制。该陀螺具有完全对称的结构，球碟转子位于驱动线圈内部，当微陀螺有角速度输入时，转动转子由于自稳定性相对于驱动电极产生偏转，此时，转子受到的磁场力将会不平衡，磁场力将会使转子回到平衡位置，使整个微陀螺系统稳定再平衡。

• 在微陀螺驱动方面，提出了一种多相、多拍的微陀螺驱动技术，可以在不改变定子和线圈结构的情况下提高驱动力矩。采用直接数字频率合成技术输出任意波形、相位可调的驱动信号，可对相位进行精确控制。转子在高速旋转过程中，会在驱动线圈中感应出反电动势信号，波形中较为平滑的部分就是转子旋转时所产生的反电动势信号，通过对该部分信号进行提取和分析，即可实现反电动势检测转子转速功能。为保证陀螺系统的稳定、快速启动，本系统采用闭环控制系统进行启动控制。Buck调压技术不但可以降低驱动信号对检测电路的耦合，还可以减少定子铁芯中的涡流损耗。为了保证降低电压后，转子能够平稳运行，新的驱动系统可根据转子的瞬时位置动态调整驱动电压，以防止发生丢步现象。新的驱动技术可以显著降低驱动电压，从而使整个系统的功耗降低近70%。

• 在微陀螺微弱电容检测方面，提出了一种时分/频分复用微陀螺检测技术，采用单一激励频率、时分复用方法降低频分复用激励信号的解调混叠现象，同时采用频分复用方法可实现电容检测及静电力伺服的电极共用。建立了微弱电容检测电路的噪声模型，优化了电路噪声特性，显著提高了电路的信噪比。采用传统频分复用检测方案和时分频分复用检测方案都能够实现角速度信号的检测功能，但采用时分频分复用检测方案对交叉耦合输出信号的抑制能力更佳，其交叉耦合输出比传统频分复用检测方案小一个数量级。

项目组提出了纳米超疏减阻转子式微陀螺，首次将纳米超疏减阻效应用于微陀螺器件，突破性地实现了器件性能的显著提升，研究成果对纳米科学推动惯性技术等领域的微器件发展具有重要的意义。在超疏减阻测量领域取得了突破性进展，为纳米超疏减阻效应的科学研究提供了有力的测量手段和方法，基于基体材料的表面超疏结构的制备方法解决了减阻表面实际应用的坚固耐用问题，研究成果在多种具有运动界面的微器件领域有着广泛的应用前景。

新型转子式微陀螺的研究成果为微惯性器件实现跨越式发展奠定了坚实的基础，开辟了一条新技术途径，后续应用研究将有望替代同等精度的光纤陀螺，甚至激光陀螺，成本将下降两个数量级以上，在航空、航天和武器制导领域具有非常广阔的应用前景，为飞行导航与武器制导提供了一个新的选择。 

致谢：感谢国家重大科学研究计划“微纳惯性器件运动界面纳米效应基础问题研究”项目（项目编号：2012CB934100）的支持。 

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