Гибридный резонатор твердотельного волнового гироскопа с высокой добротностью: конструкция с использованием термоупругого демпфирования, исследование чувствительности и определение характеристик

Важнейшим элементом твердотельного волнового гироскопа является механический резонатор, обладающий высокой добротностью. В работе рассматривается влияние термоупругого демпфирования на добротность. Для решения данной многогранной эксплуатационной задачи, относящейся к области колебаний, механики твердого тела, теплопередачи и термодинамики, используется метод конечных элементов. Основное внимание в статье уделяется зависимости добротности от свойств материала, рабочей температуры и размеров, позволяющих получить требуемую конфигурацию резонатора. По результатам изучения рабочих параметров, таких как эффективная масса и коэффициент преобразования угловой скорости в кориолисово ускорение, предложена гибридная полусферически-цилиндрическая конфигурация резонатора. Уникальность данной работы состоит в исследовании влияния на добротность ультратонкопленочного покрытия (объемная концентрация 0,01%), вариантов и различных комбинаций покрытий. Покрытие способно снижать добротность на несколько порядков в сравнении с непокрытым резонатором. Выяснилось, что выбор материала покрытия и его конфигурация являются очень важными факторами. Другой значимый аспект данной работы – изготовление и подробное описание характеристик гибридного резонатора из кварцевого стекла, на трехмерные поверхности которого наносится тонкопленочное золотое покрытие для получения прецизионных характеристик. После нанесения покрытия производится сверхтонкая балансировка до уровня единиц мГц. Измерение добротности резонатора с нанесенным покрытием выполнено методом лазерной доплеровской виброметрии. Достигнутый уровень добротности окончательной версии функционального гибридного резонатора составляет несколько миллионов единиц.

1. Xu, W., Wenqi, W., Bing, L., and Yun, L., The modelling of hemispherical gyro and its space applications, Proceedings of 7th International Symposium on Precision Engineering Measurements and Instrumentation, 2011, 8321(1), 4–9.

2. Choudhary, V. and Iniewski, K., MEMS: Fundamental technology and applications, CRC Press, 2013.

3. Joshi, S., Hung, S., and Vengallatore, S., Design strategies for controlling damping in micromechanical and nanomechanical resonators, EPJ Techniques and Instrumentation, 2014, 1(5), 1–14.

4. Imboden, M. and Mohanty, P., Dissipation in nanoelectromechanical systems, Physics Reports, 2014, 534(3), 89–146.

5. Zener, C., Internal friction in solids. I. Theory of internal friction in reeds, Physical Review, 1937, 52(3), 230–235.

6. Roszhart, T.V., The effect of thermoelastic internal friction on the Q of micromachined silicon resonators, IEEE 4th Technical Digest on Solid-State Sensor and Actuator Conference, 1990, 13–16, S.C., U.S.A.

7. Yasumura, K.Y., Stowe, T.D., Chow, E.M., Pfafman, T., Kenny, T.W., Stipe, B.C., and Rugar, D., Quality factor in micron and submicron thick cantilevers, Journal of Microelectromechanical Systems, 2000, 9(1), 117–125.

8. Lifshitz, R. and Roukes, M.L., Thermoelastic damping in micro and nano mechanical systems, Physical Review B, 2000, 61(8), 5600–5609.

9. De, S.K. and Aluru, N.R., Theory of thermoelastic damping in electrostatically actuated microstructures, Physical review B, 2006, 74(14), 144305_1–13.

10. Sun, Y., Fang, D., and Soh, A.K., Thermoelastic Damping in micro-beam resonators, International Journal of Solids and Structures, 2006, 43(10), 3213–3229.

11. Wong, S.J., Fox, C.H.J., McWilliam, S., Fell, C.P., and Eley, R., A preliminary investigation of thermoelastic damping in silicon rings, Journal of Micromechanics and Microengineering, 2004, 14(9), S108–S113.

12. Sorenson, L., Shao, P., and Ayazi, F., Bulk and surface thermoelastic dissipation in micro hemispherical shell resonators, Journal of Microelectromechanical Systems, 2015, 24(2), 486–502.

13. Sandberg, R., Molhave, K., Boisen, A., and Svendsen, W., Effect of gold coating on the Q factor of a resonant cantilever, Journal of Micromechanics and Microengineering, 2005, 15(12), 2249–2253.

14. Darvishian, A., Shiari, B., Cho, J.Y., Nagourney, T., and Najafi, K., Investigation of thermoelastic loss mechanism in shell resonators, Proceedings of ASME International Mechanical Engineering Congress and Exposition, 2014, 39331–39336, Canada.

15. Darvishian, A., Nagourney, T., Cho, J.Y., Shiari, B., and Najafi, K., Thermoelastic dissipation in micromachined birdbath shell resonators, Journal of Microelectromechanical Systems, 2017, 26(4), 758–772.

16. Abdolvand, R., Johari, H., Ho, G.K., Erbil, A., and Ayazi, F., Quality factor in trench-refilled polysilicon beam resonators, Journal of Microelectromechanical Systems, 2006, 15(3), 471–478.

17. ComsolMultiphysicsver 5.3, COMSOL Inc., Massachusetts, U.S.A.

18. Sharma, N.G., George, A., Pandian, S.P., Sundararajan T., and Gautam S.S., Design of inertial class gyroscope resonator with ultra high quality factor for interplanetary space missions, Advances in Mechanical Engineering, Lecture notes in mechanical engineering, 2020, Springer, 1071–1084.

19. Wong, S.J., Fox, C.H.J., and McWilliam, S., Thermo elastic damping of the in-plane vibration of thin silicon rings, Journal of Sound and Vibration, 2006, 293(1–2), 266–285.

20. Lunin, B.S., Basarab, M.A., Matveev, V.A., Yurin, A.V., Resonator materials for Coriolis vibratory gyroscopes, 22nd Saint Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems proceedings, 2015, 383–386.

21. Penn, S.D., Harry, G.M., Gretarsson, A.M., Kittelberger, S.E., Saulson, P.R., Schiller, J.J., Smith, J.R., and Swords, S.O., High quality factor measured in fused silica, Review of Scientific Instruments, 2001, 72(9), 3670–3673.

22. Ageev, A., Palmer, B.C., Felice, A.D., Penn, S.D., and Saulson, P.R., Very high quality factor measured in annealed fused silica, Classical and Quantum Gravity, 2004, 21(16), 3887–3892.

23. Guzman, L., Miotello, A., Checchetto, R., and Adami, M., Ion beam induced enhanced adhesion of gold films deposited on glass, Surface and Coatings Technology, 2002, 158, 558–562.

24. Nagourney, T., Cho, J.Y., Darvishian, A., Shiari, B., and Najafi, K., Effect of metal annealing on the Q factor of metal coated fused silica micro shell resonators, Proceedings of IEEE International Symposium on Inertial Sensors and Systems, 2015, 1–5, Hapuna, U.S.A.

25. Li, T.J., and Bellon, L., Dissipation of micro-cantilevers as a function of air pressure and metallic coating, Europhysics Letters, 2011, 98(1), 14004_1–4.

26. Hwang, J.J., Chou, C.S., and Chang, C., Precession of vibrational modes of a rotating hemispherical shell, ASME Journal of Vibration and Acoustics, 1997, 119(4), 612–617.

27. Sharma, N.G., Sundararajan T., and Gautam S.S., Effect of geometric imperfections on anchor loss and characterization of a gyroscope resonator with high quality factor, Gyroscopy and Navigation, 2020, 11(3), 206–213.

28. Martin, P.J., Ion enhanced adhesion of thin gold films. Gold bulletin, 1986, 19(4), 102–116.

29. Nazemian, M. and Chamani, M., Experimental investigation and finite element simulation of the effect of surface roughness on nanoscratch testing, Journal of Mechanical Science and Technology, 2019, 33(5), 2331–2338.

30. Jeanroy, A., Bouvet, A., and Remillieux, G., HRG and marine applications, Gyroscopy and Navigation, 2014, 5(2), 67–74.