CN101109635A - 基于隧道效应的微机械陀螺仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及微机械电子技术，具体是一种基于隧道效应的微机械陀螺仪。解决了现有微机械陀螺仪灵敏度不高等问题，该微机械陀螺仪包括固定于玻璃底板上的硅基框架，硅基框架上固定有一端与硅基框架固定的检测梁，检测梁的另一端通过连接块固定有驱动梁，检测梁固定驱动梁的一端固定有隧尖，与隧尖正对的玻璃底板上固定有隧尖检测电极；驱动梁下端面与玻璃底板对应地固定有电极；驱动梁上设活动驱动梳齿，与活动驱动梳齿配合的驱动固定梳齿固定于硅基框架上。本发明采用隧道效应原理，比普通的微机械陀螺在相同条件下精度和灵敏度高出几倍；同时，结构简单，没有大的质量集中——质量块，使得机械耦合小，在抗外部加速度或振动上有较高的性能。

Description

基于隧道效应的微机械陀螺仪

技术领域

本发明涉及微机械电子技术，具体是一种基于隧道效应的微机械陀螺仪。

背景技术

长期以来，传统陀螺仪的高成本使其应用多局限于成本为非主要因素的军用系统。但随着微米/纳米制造技术的进步和民用产品的需求，惯性技术领域正在经历一场深刻的变化，在各先进的工业国家先后采用由半导体工业发展起来的批加工技术，分别制造出微机械惯性仪表、石英晶体微惯性仪表以及微集成光学陀螺，其中以硅微机械惯性仪表最为引人注目。硅微机械陀螺仪是硅微机械惯性仪表的重要组成部分，它主要用于测量物体相对于惯性空间转动的加速度或者角位移。目前，它们都可以达到中等惯性仪表的精度，能满足目前应用中的实际要求；同时微机械陀螺仪以尺寸小、重量轻，低成本，微功耗，可靠性高，以及易于批量加工，耐振动，耐冲击等优点大量用于许多民用领域，如汽车支承、制动与导航系统、机器人控制、摄像机稳定、灵巧炸弹与火炮弹药制导等，具有广阔的应用前景，因而得到学术界和工业界的高度重视。

但随着航空、航天等科技的发展，不仅对陀螺仪的测量精度、可靠性等提出了更高的要求，对体积减小、重量减轻的要求也越加强烈。当前，绝大多数硅微型陀螺仪采用电容式传感器检测其输出信号，随着陀螺仪结构尺寸的极大缩小，其灵敏度和分辨率大大降低，传统电容检测技术的灵敏度和分辨率也大大降低，达到了检测的极限状态；检测输出信号的信噪比非常低。

与此同时，量子理论中的隧道效应现象已被广泛应用(如扫描隧道显微镜等)。同样，微机械电子隧道式加速度计也以研制成功，它具有高灵敏度、高分辨率和简单的控制线路等优点，其所表现出来的优越性能充分表明了将隧道效应应用于陀螺仪的可行性。

从量子力学理论知道，由于电子的隧道效应，导体中的电子并不完全局限于表面边界之内，电子密度并不在表面处突变为零，而是在表面以外呈指数形式衰减，衰减的长度约1nm。因此，只要将原子线度的极细的探针及被研究物质的表面作为两个电极，当样品与针尖的距离接近时(小于1μm)，它们就会穿过两个电极之间的势垒，流向另一个电极，形成隧道电流。

这种隧道电流I的大小是电子波函数重叠程度的量度，与针尖和样品之间的距离x以及样品表面平均势垒的高度φ有关，电流I与x之间满足如下关系：

$I\∝{\mathrm{Ve}}^{-A\sqrt{\mathrm{\φ}}x}---\left(1\right)$

式中，I为隧道电流；V为隧道电极两端的电压；A为常数，A＝(4π/h)(2m_c)^1/2＝10.25/nm(ev)^1/2；φ为隧道结势垒高度；x为两金属电极间的间距。由此可见，隧道电流I对针尖与样品表面之间的距离x就会增加一个数量级，即10倍。

因此，将隧道效应应用于微机械陀螺仪，能极大提高陀螺仪检测信号的灵敏度、分辨率和信噪比。

发明内容

本发明为了解决现有微机械陀螺仪灵敏度不高等问题，提供了一种基于隧道效应的微机械陀螺仪。并只以提供该器件的表头硬件结构为目的，不涉及(公知的)输出信号的后续处理及相应的处理电路。

本发明是采用如下技术方案实现的：基于隧道效应的微机械陀螺仪，包括固定于玻璃底板上的硅基框架，硅基框架上固定有一端与硅基框架固定的检测梁，检测梁的另一端通过连接块固定有驱动梁，检测梁固定驱动梁的一端固定有隧尖，与隧尖正对的玻璃底板上固定有隧尖检测电极；驱动梁下端面与玻璃底板对应地固定有电极；驱动梁上设活动驱动梳齿，与活动驱动梳齿配合的驱动固定梳齿固定于硅基框架上。

在起始状态下，隧尖与对应的隧尖检测电极之间距离远大于1nm，没有隧道电流产生，通过固定于驱动梁下端面与玻璃底板对应处的电极加上控制电压，将检测梁下拉到隧尖与对应的隧尖检测电极之间的间距能够产生隧道电流的工作范围的位置；接着在驱动固定梳齿两侧加上直流偏压和相位相反的交流偏压，使驱动梁沿Y方向产生简谐振动，这时器件处于工作状态；当敏感到绕X方向(即沿垂直于振动方向的驱动轴方向)有输入角速度Ω时，由于哥氏力作用，便会产生一个沿Z方向的哥氏力，与驱动梁连接在一起的检测梁将在Z方向产生振动，隧尖与对应的隧尖检测电极之间的间距发生变化，从而引起隧道电流变化，通过隧道电流的变化，通过后续信号处理即可得出绕X向角速度Ω的值。本发明所述陀螺仪是以公知的MEMS加工工艺—体硅微机械加工技术加工而成，其具体加工步骤为本领域技术人员熟知。

与现有技术相比，本发明采用隧道效应原理，比普通的微机械陀螺在相同条件下精度和灵敏度高出几倍；同时，结构简单，没有大的质量集中—质量块，使得机械耦合小，在抗外部加速度或振动上有较高的性能。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1的A-A剖面图；

图3为本发明的一具体结构示意图；

图4为本发明的另一种结构示意图；

图中：1-硅基框架；2-驱动固定梳齿；3-活动驱动梳齿；4-驱动梁；5-检测梁；6-连接块；7-隧尖；8-隧尖检测电极；9-电极；10-玻璃底板；11-连接框体；12-连接梁；13-副驱动梁。

具体实施方法

基于隧道效应的微机械陀螺仪，包括固定于玻璃底板10上的硅基框架1，硅基框架1上固定有一端与硅基框架1固定的检测梁5，检测梁5的另一端通过连接块6固定有驱动4梁，检测梁5固定驱动梁4的一端固定有隧尖7，与隧尖7正对的玻璃底板10上固定有隧尖检测电极8；驱动梁4下端面与玻璃底板10对应地固定有电极9；驱动梁4上设活动驱动梳齿3，与活动驱动梳齿3配合的驱动固定梳齿2固定于硅基框架1或玻璃底板10上。

具体实施时，如图3所示(仅表示出了敏感部分)，检测梁5与驱动梁4为条状弹性梁，两梁通过方形连接块6连接固定，且两梁梁面相互正交垂直，驱动梁4的梁面与玻璃底板10垂直；这样，使驱动梁和检测梁在y轴和z轴方向上的刚度具有极大的差异，进而使得驱动模式和敏感(检测)模式有各自独立的振动梁(即驱动梁和检测梁)，互不干扰。

考虑到加工条件和加工的难易程度，如图4所示(仅表示出了敏感部分)，检测梁5与连接块6皆为框体，检测梁5的宽度小于连接块6，检测梁5、连接块6、以及驱动梁4等厚；检测梁5经连接框体11与硅基框体1固定；连接块6与连接框体11为高杨氏模量材料制成的弹性支撑元件，可以吸收如噪声、重力、加速度和外界振动等干扰，提高器件的信噪比。

为了增大驱动固定梳齿与活动驱动梳齿之间的接触面积，提高器件的驱动能力和驱动灵敏度，驱动梁4上固定有连接梁12，连接梁12固定有上设活动驱动梳齿3的副驱动梁13，硅基框架1或玻璃底板10上固定有与副驱动梁13上的活动驱动梳齿3配合的驱动固定梳齿2。

另外，由于隧尖与对应的隧尖检测电极之间的间距变化，所引起隧道电流变化，经后续信号处理的同时，经由反馈控制电路控制加于驱动梁下端面与玻璃底板对应处的电极的控制电压，使隧尖与对应的隧尖检测电极之间的间距处于平衡状态。所述后续信号处理、以及反馈控制是现有公知技术，电子领域的技术人员很容易实现。

Claims (7)

1.一种基于隧道效应的微机械陀螺仪，包括固定于玻璃底板(10)上的硅基框架(1)，其特征在于硅基框架(1)上固定有一端与硅基框架(1)固定的检测梁(5)，检测梁(5)的另一端通过连接块(6)固定有驱动梁(4)，检测梁(5)固定驱动梁(4)的一端固定有隧尖(7)，与隧尖(7)正对的玻璃底板(10)上固定有隧尖检测电极(8)；驱动梁(4)下端面与玻璃底板(10)对应地固定有电极(9)；驱动梁(4)上设活动驱动梳齿(3)，与活动驱动梳齿(3)配合的驱动固定梳齿(2)固定于硅基框架(1)或玻璃底板(10)上。

2.根据权利要求1所述的基于隧道效应的微机械陀螺仪，其特征在于检测梁(5)与驱动梁(4)为条状弹性梁，两梁通过方形连接块(6)连接固定，且两梁梁面相互正交垂直，驱动梁(4)的梁面与玻璃底板(10)垂直。

3.根据权利要求1所述的基于隧道效应的微机械陀螺仪，其特征在于检测梁(5)与连接块(6)皆为框体，检测梁(5)的宽度小于连接块(6)，检测梁(5)、连接块(6)、以及驱动梁(4)等厚。

4.根据权利要求1或2或3所述的基于隧道效应的微机械陀螺仪，其特征在于检测梁(5)经连接框体(11)与硅基框体(1)固定。

5.根据权利要求1或2或3所述的基于隧道效应的微机械陀螺仪，其特征在于驱动梁(4)上固定有连接梁(12)，连接梁(12)固定有上设活动驱动梳齿(3)的副驱动梁(13)，硅基框架(1)或玻璃底板(10)上固定有与副驱动梁(13)上的活动驱动梳齿(3)配合的驱动固定梳齿(2)。

6.根据权利要求4所述的基于隧道效应的微机械陀螺仪，其特征在于驱动梁(4)上固定有连接梁(12)，连接梁(12)固定有上设活动驱动梳齿(3)的副驱动梁(13)，硅基框架(1)或玻璃底板(10)上固定有与副驱动梁(13)上的活动驱动梳齿(3)配合的驱动固定梳齿(2)。

7.根据权利要求4所述的基于隧道效应的微机械陀螺仪，其特征在于连接块(6)与连接框体(11)为高杨氏模量材料制成的弹性支撑元件。

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