纳米光栅驱动的高灵敏微型陀螺仪结构设计及仿真研究

本文探讨了基于纳米光栅检测的微型陀螺仪（MEMS Gyroscope）的结构设计与仿真技术。微型陀螺仪的核心任务是精确测量微小的科里奥利力，这是一种由地球自转引起的惯性力，对于导航、姿态控制等高精度应用至关重要。研究者们提出了一种创新的光学微陀螺仪架构，采用双层反射金属纳米光栅作为敏感元件，通过其精细的模式匹配特性来增强对科里奥利力的响应。 在设计阶段，作者详细阐述了工作原理：当陀螺仪旋转时，科里奥利力会使光束在纳米光栅上发生干涉，这种干涉图案的变化反映了陀螺仪的角速度。通过精心设计的结构，纳米光栅能够有效地捕捉这种微小的光强变化，进而转化为可测量的角度信号。 为了评估其结构灵敏度，研究人员构建了一个仿真模型，结果显示，该设计具有良好的模态匹配性能，即光路的频率响应与陀螺仪的实际运动同步，这确保了信号的高效转换。仿真计算得到的结构灵敏度为6.402纳米每度每秒（nm/°/s），显示出高精度的特性。 在光学仿真部分，作者深入研究了纳米光栅的几何参数，包括间距、宽度、粗糙度等，进行了一系列的公差分析，以确保实际制造过程中这些参数的一致性和稳定性，这对于实现高性能的微型陀螺仪至关重要。这种精细化的模拟有助于优化设计，减少潜在的误差源。 最后，作者在SIMULINK环境中完成了整个陀螺仪系统的建模和仿真。在考虑了所有计算参数后，总的灵敏度达到了3.03毫伏每度每秒（mv/°/s），而理论的背景噪声仅为5.95 × 10^-5度每赫兹每秒（°/s/Hz），这证明了所提出的光学微陀螺仪在噪声抑制和灵敏度方面达到了先进水平。 总结来说，这篇技术论文深入介绍了纳米光栅在微陀螺仪中的应用，展示了通过结构优化和仿真技术提高微型惯性传感器性能的方法。这样的设计有望推动微电子机械系统（MEMS）领域的发展，为精密仪器和导航设备提供更高精度的测量能力。