课题基金 / 基金详情

基于全固态光冷MEMS系统的加速度精密测量研究

批准号:
U2130117
项目类别:
联合基金项目
资助金额:
49.0 万元
负责人:
付号
依托单位:
学科分类:
NSFC-中物院联合基金
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
付号

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
高机动性装备的大量应用对惯导系统的研制提出了新的要求,以实现高灵敏度大带宽的惯性信号测量。全固态MEMS系统因其在集成度、功耗和成本等方面的独特优势而在加速度等惯性信号的测量中有着广泛应用。特别是受近年来腔光力学研究的推动,高灵敏度光学读出技术的使用为MEMS加速度计的发展提供了新的动力。尽管如此,目前光学读出MEMS加速度计的测量带宽和灵敏度由于受到热振动噪声的限制依然难以满足高机动性装备高精度导航的需求。为此,本项目拟开展基于全固态光冷MEMS系统加速度精密测量的研究。研究基于微腔光力系统的加速度计构造方法;重点是在微腔光力加速度计中进一步发展机械振子的高效光学冷却技术,突破加速度测量的热振动噪声瓶颈;并研究光学冷却条件下加速度的精密测量方法,在全固态光冷MEMS系统中实现加速度的高灵敏度大带宽精密测量;解决全固态MEMS加速度计在高机动性装备高精度惯性导航应用中的关键科学问题。
英文摘要
The rapid deployment of maneuverable equipment put new requirements on developing inertial navigation systems to satisfy high-sensitive measurement of inertial signals at a large bandwidth. Solid-state MEMS systems, for its unique advantages on integration, power consumption, and cost, have been widely used in the measurement of inertial signals such as acceleration. Specifically, benefitting from recent advances on cavity optomechanics, development of MEMS accelerometer gains new momentum from the application of high-sensitive optical readout techniques. Nevertheless, the realization of high-accurate inertial navigation for maneuverable equipment is still of great challenge for optical-readout MEMS accelerometers because thermal mechanical noise imposes a fundament limit on the bandwidth and the sensitivity that can be obtained. In this proposal, we plan to carry out studies on high-precision measurement of acceleration in an optically cooled solid-state MEMS system. The construction of accelerometer based on a micro-cavity optomechanical system will be studied. Special emphasis will be placed on further developing of high-efficient optical cooling technique in the micro-cavity optomechanical accelerometer in order to overcome the limitation imposed by the thermal mechanical noise on the measurement of acceleration. And the scheme for high-precision measurement of acceleration in presence of optical cooling will be investigated in order to realize high-sensitive measurement of acceleration at large bandwidth using the optically cooled solid-state MEMS system. This proposal is expected to solve the key scientific problem in high-accurate inertial navigation for maneuverable equipment using solid-state MEMS accelerometer.
高灵敏度大带宽的惯性信号精密测量对高机动性装备的发展具有重要意义。腔光力学研究为实现MEMS加速度计中振动的精密测量和精确操控提供了新的可能。目前,随着高灵敏度光学读出技术的应用,热振动噪声逐渐成为了制约腔光力加速度计的测量带宽和灵敏度进一步提高的主要因素。本项目针对光力加速度计发展中的热振动噪声瓶颈,开展了基于全固态光冷MEMS系统的加速度精密测量研究。完成了高品质氮化硅蹦床纳米机械振子的加工,实现了基于光纤微腔的全固态MEMS加速度计构造,并通过在机械振子上加工金反射金和光子晶体板反射镜等方法有效提高了光力耦合强度,实现了机械振子位移光学精密测量和精确操控。本项目重点研究了纳米机械振子的高效光学冷却方法。研究了基于耦合机械振子的多模态协同冷却技术,通过参量驱动场耦合两个独立的振动模态,实现了不同振动模态的同时反馈冷却。同时,将反馈冷却技术与参量压缩技术相结合,发展了机械振子的压缩冷却技术,通过构造矢量反馈系统对机械振子两个正交振动分量进行独立控制,实现了机械振子的最佳压缩冷却,将机械振子单个振动分量的热涨落降低至了其反馈冷却极限的-8.1db,实现了-31.7db的压缩冷却。研究了加速计测量灵敏度的光力增强方法,利用光热耦合作用将加速度计的测量灵敏度提高约30%,在10kHz带宽内实现了灵敏度10g/sqrt(Hz)的加速度测量。建立了光力作用下加速度计的传感理论模型,提出了基于激光频率调制的光力加速度计精确标定方法,实现了光力加速度计的原位自标定,展示了线性动态范围70db的加速度测量。本项目实现全部研究目标,利用光学冷却技术有效降低了加速度计的热振动噪声,解决了高灵敏度大带宽光力加速度计研制中的关键科学问题,对全固态MEMS加速度计在高机动性装备高精度惯性导航中的应用具有重要意义。
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