CN101270990B

CN101270990B - 多层纳米膜隧穿式微陀螺仪的检测装置

Info

Publication number: CN101270990B
Application number: CN2008100549329A
Authority: CN
Inventors: 刘俊; 李孟委; 杜康; 石云波; 张斌珍; 杨卫; 李�杰; 郭涛
Original assignee: North University of China
Current assignee: North University of China
Priority date: 2008-05-06
Filing date: 2008-05-06
Publication date: 2010-11-03
Anticipated expiration: 2028-05-06
Also published as: CN101270990A

Abstract

一种多层纳米膜隧穿式微陀螺仪的检测装置，主要结构由玻璃基板、固定电极正极、梳齿电极负极、敏感质量块、固定座、固定梳齿、阻尼孔、检测梁、驱动梁、联接块、隧穿器件、纳米膜层组成，在敏感质量块上设置固定座、梳齿，检测由检测梁、驱动梁、隧穿器件组成，隧穿器件由衬底基板、绝缘层、电极、纳米膜层组成，在玻璃基板上设置固定电极正极、梳齿电极负极，阻尼孔由96个通孔方形孔组成，纳米膜层可使隧穿器件形成多势垒压敏结构，可使硅压阻器件的灵敏度提高1-2个数量级，此装置结构合理紧凑，检测方便，检测精度高，灵敏度高，分辨率高，不受温度影响，其检测精度比现有技术可提高2-3倍，检测数据翔实、准确，可靠性好。

Description

多层纳米膜隧穿式微陀螺仪的检测装置

技术领域

本发明涉及一种多层纳米膜隧穿式陀螺仪的检测装置，属航空飞行器的测量仪器仪表零部件的技术领域。

背景技术

微型机械电子式陀螺仪是二十世纪九十年代发展起来的高新技术产品，主要用于航空航天飞行器的姿态测量和功能控制，是军用、民用飞行器必不可少的最重要的关键器件之一，一直受到世界航空航天科技领域的高度重视。

目前，微型机械陀螺仪常用的检测方式是电容式和压阻式，压阻式是基于高掺杂硅的压阻效应原理实现的，高掺杂硅形成的压敏器件对温度有较强的依赖性，其由压敏器件组成的电桥检测电路也会因温度变化引起精度漂移，电容式精度的提高是利用增大电容面积，由于器件的微小型化，有效电容面积已受到了很大限制。

微型机械电子式陀螺仪的姿态测量是靠检测装置表头来完成的，其灵敏度、分辨率是十分重要的，由于陀螺仪微型化和集成化，检测的敏感区域随之减小，故而使检测的灵敏度、分辨率等指标已达到敏感区域检测的极限状态，从而限制了陀螺仪检测精度的进一步提高，很难满足现代军事、民用装备的需要，在这种状况下，必须研制适应高新技术的能突破极限状态的全新的微型机电式陀螺仪的检测装置。

多层纳米膜隧穿器件是一种基于新效应的检测器件，属前沿科学，集中体现在它具有的介观压阻效应，介观压阻效应是通过四个物理过程实现的，一是在力学信号作用下，使纳米带结构中的应力分布发生变化，二是应力变化引起产生内建电场，三是内建电场使纳米带结构中的量子能级发生变化，四是量子能级变化引起共振隧穿电流变化，通过四个物理过程，可将微弱的力学信号转化为较强的电学信号，多层纳米膜隧穿器件是用分子束外延和金属气相淀积技术制作，其量子阱没有掺杂，所以其内不会因温度变化而产生载流子浓度变化，使多层纳米膜隧穿器件的介观压阻效应和陀螺哥氏效应相结合，应用于陀螺仪检测，是目前最为前沿的科学技术，是世界科技界予以探讨的技术领域。

发明内容

发明目的

本发明的目的就是针对背景技术的不足，设计一种微型陀螺仪的高灵敏度的、用多层纳米膜隧穿器件进行检测的装置，以大幅度提高微小型陀螺仪的检测精度和分辨率，使检测数据更加准确、翔实、可靠。

技术方案

本发明主要结构由：玻璃基板、固定电极正极、梳齿电极负极、敏感质量块、固定梳齿、阻尼孔、检测机构、驱动梁、检测梁、联接块、隧穿器件、纳米膜层组成；在玻璃基板64的前、后部对称设置固定电极正极65、66，并粘结固牢，在玻璃基板64的左、右部对称设置梳齿电极负极67、68，并粘结固牢，在固定电极正极65、66上分别设有固定座3、4，并粘结固牢，在梳齿电极负极67、68上分别设有固定梳齿5、6，并粘结固牢，在玻璃基板64的中间位置设有敏感质量块1，在敏感质量块1的四角部设有检测机构7、8、9、10，并与固定座3、4吻合联接，敏感质量块1的梳齿19、20与固定梳齿5、6多叉关联，敏感质量块1可在玻璃基板64上做前、后、左、右移动，在检测机构7、8、9、10的前后部分别设有隧穿器件11、12、13、14、15、16、17、18，在敏感质量块1上等间距均布96个通孔方形阻尼孔2。

所述的玻璃基板64为方形，在玻璃基板64的前、后部对称设有固定电极正极65、66，并粘结牢固，在玻璃基板64的左、右部对称设有梳齿电极负极67、68，并粘结牢固，在玻璃基板64的中部，在固定电极正极65、66、梳齿电极负极67、68之间为底槽69，在底槽69内置放敏感质量块1。

所述的敏感质量块1为方形，在敏感质量块1的左右部设有梳齿19、20，与固定梳齿5、6多叉关联，在敏感质量块1的四角部对称设有检测运动空间21、22、23、24，在敏感质量块1的中部位置等间距设有96个通孔方形阻尼孔2。

所述的检测机构7、8、9、10，结构一样，在联接块28的左、右部为驱动梁25、26，在联接块28的中部位置、驱动梁25、26的中间为检测梁27，在检测梁27的前部设有隧穿器件11、13、15、17、后部设有隧穿器件12、14、16、18。

所述的固定座3、4为矩形，结构一样，在固定座3、4的两端部设有座槽29、30，并与检测机构7、8、9、10吻合联接。

所述的固定梳齿5、6，一侧为平直面，一侧均匀布有梳齿31、梳齿槽32、并与敏感质量块1上的梳齿19、20交叉关联。

所述的隧穿器件11、12、13、14、15、16、17、18，结构一样，在衬底基板33的左上部设有绝缘层34，右上部设有绝缘层35，在衬底基板33的中上部设有集电极台面41、发射极台面42，在绝缘层34上部设有电极36，在集电极台面41上部设有电极38，在绝缘层35上部设有电极39，在电极36与38之间为电极37，在电极36、37、38之间形成空气桥61；在发射极台面42上部为纳米膜层63，纳米膜层63由17层纳米膜组成，纳米膜层63顶部为金属电极层60；发射极台面42上部为砷铝层43、即AlAs层，在砷铝层43上部为砷镓层44、即GaAs层，在砷镓层44上部为砷镓-氮层45、即N⁺-GaAs层，在砷镓-氮层45上部为砷镓-氮层46、即N⁺-GaAs层，在砷镓-氮层46上部为砷镓层47、即GaAs层，在砷镓层47上部为砷镓-铟层48、即In-GaAs层，在砷镓-铟层48上部为砷镓层49、即GaAs层，在砷镓层49上部为砷铝层50、即AlAs层，在砷铝层50上部为砷镓层51、即GaAs层，在砷镓层51上部为砷镓-铟层52、即In-GaAs层，在砷镓-铟层52上部为砷镓层53、即GaAs层，在砷镓层53上部为砷铝层54、即AlAs层，在砷铝层54上部为砷镓层55、即GaAs层，在砷镓层55上部为砷镓-铟层56、即In-GaAs层，在砷镓-铟层56上部为砷镓层57、即GaAs层，在砷镓层57上部为砷镓-氮层58、即N⁺-GaAs层，在砷镓-氮层58上部为砷镓-氮层59、即N⁺-GaAs层，在砷镓-氮层59上部为金属电极层60；在金属电极层60与电极39之间为电极40，在电极40、39与纳米膜层63之间为空气桥62。

有益效果

本发明与背景技术相比具有明显的先进性，此检测装置是采用整体结构设计，以玻璃基板为载体，在敏感质量块上对称设置结构一样的四个检测机构，在中间均布96个通孔方形阻尼孔，敏感质量块前、后设置固定座、左、右设置固定梳齿，固定梳齿与敏感质量块上的梳齿交叉关联，检测机构由联接块、检测梁、驱动梁、隧穿器件组成，成回折正交梁结构，既能有效利用空间，又能抑制驱动对检测的影响，适合器件的微小型化，隧穿器件由衬底基板、绝缘层、电极、发射极、17层纳米膜、金属电极层组成，17层纳米膜+金属电极层可使隧穿器件形成多势垒压敏结构，可比硅压阻器件的灵敏度提高1-2个数量级，此装置结构合理紧凑、检测使用方便、检测精度高、分辨率高、不受温度影响，其检测精度比现有技术可提高2-3倍，检测数据翔实、准确、可靠性好、灵敏度高，是十分理想的微小型陀螺仪的检测装置。

附图说明

图1为整体结构图

图2为整体结构主视图

图3为玻璃基板结构图

图4为玻璃基板主视图

图5为玻璃基板俯视图

图6为敏感质量块主视图

图7为敏感质量块俯视图

图8为检测机构结构图

图9为检测机构主视图

图10为检测机构俯视图

图11为检测机构侧视图

图12为固定座结构图

图13为固定梳齿结构图

图14为固定梳齿主视图

图15为固定梳齿俯视图

图16为隧穿器件结构图

图中所示，附图标记清单如下：

1、敏感质量块，2、阻尼孔，3、固定座，4、固定座，5、固定梳齿，6、固定梳齿，7、检测机构，8、检测机构，9、检测机构，10、检测机构，11、隧穿器件，12、隧穿器件，13、隧穿器件，14、隧穿器件，15、隧穿器件，16、隧穿器件，17、隧穿器件，18、隧穿器件，19、梳齿，20、梳齿，21、检测运动空间，22、检测运动空间，23、检测运动空间，24、检测运动空间，25、驱动梁，26、驱动梁，27、检测梁，28、联接块，29、座槽，30、座槽，31、梳齿，32、梳齿槽、33、衬底基板，34、绝缘层，35、绝缘层，36、电极，37、电极，38、电极，39、电极，40、电极，41、集电极台面，42、发射极台面，43、砷铝层，44、砷镓层，45、砷镓-氮层，46、砷镓-氮层，47、砷镓层，48、砷镓-铟层，49、砷镓层，50、砷铝层，51、砷镓层，52、砷镓-铟层，53、砷镓层，54、砷铝层，55、砷镓层，56、砷镓-铟层，57、砷镓层，58、砷镓-氮层，59、砷镓-氮层，60、金属电极层，61、空气桥，62、空气桥，63、纳米膜层，64、玻璃基板，65、固定电极正极，66、固定电极正极，67、梳齿电极负极，68、梳齿电极负极，69、底槽。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步说明：

图1、2所示，为整体结构图，以玻璃基板64为载体，其前、后、左、右部设有固定电极正极65、66、梳齿电极负极67、68，中间为底槽69，在底槽69内为敏感质量块1，以敏感质量块1为中心，在左右设置固定梳齿5、6，与敏感质量块1上的梳齿19、20交叉关联，前、后固定座3、4与检测机构7、8、9、10吻合联接，阻尼孔2为96个通孔方形，也可视需要设计成圆形或矩形，也可视需要设置48个、72个、120个，其尺寸大小可根据应用环境和阻尼系数确定。

检测机构7、8、9、10与固定座3、4吻合联接。

敏感质量块1用半导体材料砷化镓GaAs材料制作，厚度为80μm，是超薄形，敏感质量块1可在玻璃基板64内的底槽69内做前、后、左、右移动，以便于测量。

发明原理是：

敏感质量块在静电梳齿的驱动作用下，沿X轴方向作线性简谐振动，当陀螺仪在Y轴方向有角速度输入时，检测梁由于哥氏力的作用将在Z轴方向产生进动，在检测梁两端的17层纳米膜隧穿器件由于进动，而引起Y轴方向应力变化，应力引起介观压阻效应，这样就可把一个微弱的力学信号转化为一个较强的电学信号，通过该信号的检测就可以检测出Y轴方向输入角速度的大小。

图3、4、5所示，为玻璃基板64结构图，玻璃基板64为半导体材料砷化镓制作，前、后、左、右对称设有固定电极正极65、66、梳齿电极负极67、68，呈方形布置，中间为底槽69，是整个检测装置的载体，厚度为80μm。

图6、7所示，为敏感质量块结构图，敏感质量块1呈方形，四角部设有检测运动空间21、22、23、24，左右部为梳齿19、20、中间均布通孔方形阻尼孔2，敏感质量块1用半导体材料砷化镓制作，厚度为80μm，制作时要小心轻放，注意防止折断。

图8、9、10、11所示，为检测机构结构图，检测机构7、8、9、10，结构一样，端部为联接块28，在联接块28的左、右部对称设置驱动梁25、26，在驱动梁25、26之间为检测梁27，端部与联接块28固定，驱动梁25、26与联接块28厚度相同，检测梁27的厚度小于驱动梁25、26、联接块28，在检测梁27的外端部设有隧穿器件11、13、15、17、内端部设有隧穿器件12、14、16、18，联接块28、驱动梁25、26的厚度与敏感质量块1的厚度相同。

图12所示，为固定板3、4结构图，固定板3、4左、右侧部设有座槽29、30，座槽29、30与检测梁27对应吻合，固定座3、4与敏感质量块1的厚度相同。

图13、14、15所示，为固定梳齿5、6结构图，固定梳齿3、4的侧部等间距设置梳齿31，梳齿31之间为梳齿槽32，梳齿31、梳齿槽32与敏感质量块1上的梳齿19、20交叉关联，固定梳齿5、6与敏感质量块1的厚度相同。

图16所示，为隧穿器件11、12、13、14、15、16、17、18结构图，各隧穿器件结构一样，衬底基板33为半导体材料砷化镓制作，为矩形体，在左、右面对称设置绝缘层34、35，中间设置集电极台面41、发射极台面42，在绝缘层34、集电极台面41上设有电极36、38，之间设有电极37，电极37下部为空气桥61，在发射极台面42上为纳米膜层63，纳米膜层63与电极39之间有电极40，电极40下部为空气桥62，纳米膜层63由17层纳米膜组成，各膜层均由砷化物组成，其膜层厚度不一，均为纳米级，从0.5-3000nm不等，第一层为非掺杂的砷铝层43，第十七层为砷镓-氮层59，第十七层上部为金属电极层60；绝缘层34、35用氮化硅材料制作，防止衬底基板33与金属电极导通；空气桥61、62是为了减少寄生电容。

隧穿器件的17层纳米膜是用分子束外延设备制作的，分子束外延是一种在晶体基片上生长的高质量的晶体薄膜，在真空条件下，按晶体排列一层层的生长在基板上，并形成纳米级膜层，逐层积淀，要严格制作并控制其膜层质量、厚度，否则将影响微陀螺仪检测装置的精度和灵敏度。

Claims

1.多层纳米膜隧穿式微陀螺仪的检测装置，其特征在于：主要结构由：玻璃基板、固定电极正极、梳齿电极负极、敏感质量块、固定梳齿、阻尼孔、检测机构组成，其中检测机构包括驱动梁、检测梁、联接块、隧穿器件，隧穿器件包括纳米膜层；在玻璃基板(64)的前、后部对称设置固定电极正极(65、66)，并粘结固牢，在玻璃基板(64)的左、右部对称设置梳齿电极负极(67、68)，并粘结固牢，在固定电极正极(65、66)上分别设有固定座(3、4)，并粘结固牢，在梳齿电极负极(67、68)上分别设有固定梳齿(5、6)，并粘结固牢，在玻璃基板(64)的中间位置设有敏感质量块(1)，在敏感质量块(1)的四角部设有检测机构(7、8、9、10)，并与固定座(3、4)吻合联接，敏感质量块(1)的梳齿(19、20)与固定梳齿(5、6)交叉关联，敏感质量块(1)可在玻璃基板(64)上做前、后、左、右移动，在检测机构(7、8、9、10)的前后部分别设有隧穿器件(11、12、13、14、15、16、17、18)，在敏感质量块(1)上等间距均布96个通孔方形阻尼孔(2)；

所述的检测机构(7、8、9、10)，结构一样，在联接块(28)的左、右部为驱动梁(25、26)，在联接块(28)的中部位置、驱动梁(25、26)的中间为检测梁(27)，在检测梁(27)的前部和后部设有隧穿器件(11、12、13、14、15、16、17、18)；

所述的隧穿器件(11、12、13、14、15、16、17、18)，结构一样，在衬底基板(33)的左上部设有第一绝缘层(34)，右上部设有第二绝缘层(35)，在衬底基板(33)的中上部设有集电极台面(41)、发射极台面(42)，在第一绝缘层(34)上部设有第一电极(36)，在集电极台面(41)上部设有第三电极(38)，在第二绝缘层(35)上部设有第四电极(39)，在第一电极(36)与第三电极(38)之间为第二电极(37)，第二电极(37)下部为空气桥(61)；在发射极台面(42)上部为纳米膜层(63)，纳米膜层(63)由17层纳米膜组成，纳米膜层(63)顶部为金属电极层(60)；发射极台面(42)上部为砷铝层(43)、即AlAs层，在砷铝层(43)上部为砷镓层(44)、即GaAs层，在砷镓层(44)上部为砷镓-氮层(45)、即N⁺-GaAs层，在砷镓-氮层(45)上部为砷镓-氮层(46)、即N⁺-GaAs层，在砷镓-氮层(46)上部为砷镓层(47)、即GaAs层，在砷镓层(47)上部为砷镓-铟层(48)、即In-GaAs层，在砷镓-铟层(48)上部为砷镓层(49)、即GaAs层，在砷镓层(49)上部为砷铝层(50)、即AlAs层，在砷铝层(50)上部为砷镓层(51)、即GaAs层，在砷镓层(51)上部为砷镓-铟层(52)、即In-GaAs层，在砷镓-铟层(52)上部为砷镓层(53)、即GaAs层，在砷镓层(53)上部为砷铝层(54)、即AlAs层，在砷铝层(54)上部为砷镓层(55)、即GaAs层，在砷镓层(55)上部为砷镓-铟层(56)、即In-GaAs层，在砷镓-铟层(56)上部为砷镓层(57)、即GaAs层，在砷镓层(57)上部为砷镓-氮层(58)、即N⁺-GaAs层，在砷镓-氮层(58)上部为砷镓-氮层(59)、即N⁺-GaAs层，在砷镓-氮层(59)上部为金属电极层(60)；在金属电极层(60)与第四电极(39)之间为第五电极(40)，第五电极(40)下部为空气桥(62)。

2.根据权利要求1所述的多层纳米膜隧穿式微陀螺仪的检测装置，其特征在于：所述的玻璃基板(64)为方形，在玻璃基板(64)的前、后部对称设有固定电极正极(65、66)，并粘结牢固，在玻璃基板(64)的中部，在固定电极正极(65、66)、梳齿电极负极(67、68)之间为底槽(69)，在底槽(69)内置放敏感质量块(1)。

3.根据权利要求1所述的多层纳米膜隧穿式微陀螺仪的检测装置，其特征在于：所述的敏感质量块(1)为方形，在敏感质量块(1)的左右部设有梳齿(19、20)，与固定梳齿(5、6)交叉关联，在敏感质量块(1)的四角部对称设有检测运动空间(21、22、23、24)，在敏感质量块(1)的中部位置等间距设有96个通孔方形阻尼孔(2)。

4.根据权利要求1所述的多层纳米膜隧穿式微陀螺仪的检测装置，其特征在于：所述的固定座(3、4)为矩形，结构一样，在固定座(3、4)的两端部设有座槽(29、30)，并与检测机构(7、8、9、10)吻合联接。

5.根据权利要求1所述的多层纳米膜隧穿式微陀螺仪的检测装置，其特征在于：所述的固定梳齿(5、6)，一侧为平直面，一侧均匀布有梳齿(31)、梳齿槽(32)，并与敏感质量块(1)上的梳齿(19、20)交叉关联。