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赵宣栋 纳米科技


——机能1502 赵宣栋

F irst PART
纳米机械学

Part 1

纳米机械学
纳米机械学的组成
微传感器

纳米轴承及机器人

? 包括敏感和检测力学量、磁学量、热学 量、化学量和生物学量传感器

微执行器

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? 主要包括微电机、微齿轮、微泵、微阀 ? 当然也包括微机电陀螺

微机械光学 器件

? 有微晶阵列、微光扫描器、微光斩波器、 微光开关等

……

微机械的特性
微机械 与宏观 机械不 同之处
材料强度增加。尺寸减小,没有了晶体边界的存在,使微机械的 结构强度达到普通材料的数倍或者数百倍。 表面零件的强度变化。表面积和体积之比变大,热传导和化学反 应增快,对热驱动执行器的机械-化工加工非常有利。 制作精度降低。由于微型机械的尺寸减小,在一定的加工误差下, 相对误差就会变大。 有源驱动。通常使用微电机或者微驱动器作为动力源,以提供旋 转或者直线运动。 扫描隧道显微加工技术,是纳米加工技术的最新发展,是实现极 限加工或原子级加工的最新技术。

S econd PART
微机电陀螺

Part 2

微机电陀螺的发展历史 基于MEMS技术的微机电陀螺
第一代微 机电陀螺
? 1987年,美国Draper实验室研制出世界上第一个能敏感角速度的微陀螺, 这象征着第一代微机电陀螺面世。能敏感到角速度的状态及变化,意 味着微机电陀螺可以被用来精确测量角速度的大小及其加速度,直到 今天,这也是微机电陀螺的一大应用,即用于测量汽车的旋转速度。

第二代微 机电陀螺

? 美国Honeywell购买了Draper所研发的调频音叉结构微机电陀螺的专利,并 加以改进完善研制出了一系列微机电陀螺惯组产品,第二代微机电陀螺改 进之处在于精度提高,且研制了新类型的微机电陀螺。从第二代开始,微 机电陀螺开始步入军事领域。

第三代微 机电陀螺
应用广泛的陀螺仪

? 第三代微机电陀螺采用的是电磁驱动电容检测,DRS-MM2更是变更为静电 驱动,电流检测,一定程度上减小了正交误差,提高稳定性。此后,微机 电陀螺开始应用于汽车行列。

N EXT PART
原理探究

Part 3

陀螺仪的原理
? 微机电陀螺用于测量移动物体的角速度及角加速度,从而起 到导航的作用。 ? 为便于解释,可以把微机电陀螺放在运动物体处理成一个简 易模型,即假设物体在一转动的圆盘中有相对圆盘的径向运 动,如图所示。 ? 由科里奥利力的观点可知,当物体在转动的圆盘上存在径向 运动时,就会产生科里奥利力,且随着物体的运动,科里奥 利力也在不停地变动,会使得与物体连接的两块电容板来回 振动。通过检测电容板来回振动产生的电流的方法(或其他 方法)来检测电容变化。 ? 由于科里奥利力大小与角速度成正比,故电容变化可以反应 角速度的状态及相应变化。

微机电陀螺在微纳环境下的优势
微机电陀螺体积小,自主性强,可以相对精确地测量角度,而且反应 时间短,符合军事装备的初步要求。除此之外,微机电陀螺相对其他陀螺 而言,优势不仅体现在体积小上面,还表现在微机电陀螺的造价成本低, 这对于开销极大的军事装备而言也是不可多得的优势。 很多自主装备,如无人机,因为在作业时没有人员临场操控,很难做 到角度的精确测量与姿态的调整,即使有人员操纵的设备,因为感官的不 确定性,也很难做到这一点。因而需要适当的设备来把握这个标准,调整 相应的姿态。现如今,微机电陀螺在这方面应用十分广泛,例如美国BEI公 司的QRS116高性能微机电陀螺已经成功用于F-22战斗机上,用于姿态测量。 微机电陀螺主要运用于我们目前使用的手机中,虽然很大部分的陀螺 仪没有达到纳米精度,但是未来的手机的不断发展,将会变得更薄更轻巧, 所以MEMS将会得到更广泛的应用。

缺陷及改进
稳定性问题 转子体平稳地沿空间六个自由度运动,然而由于支撑力的限制,悬 浮间隙通常只有2-5微米;而且当静电支撑负刚度会加剧转子体沿y或x轴 的旋转运动,很难保持转子的稳定,稳定性问题亟待解决。
改进措施 磁悬浮转子微陀螺利用平面线圈内施加高频电流产生电磁场使得转 片悬浮,那么增加的转盘也应该能在变化的磁场中产生涡流,控制磁场 方向,使转盘能在电磁力的作用下发生转动,并通过调节大小,使转盘 转速与转子相同,可能可以使转子在保持转速的同时,因硬杆的牵引而 保持稳定


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