CN101655368A - 基于纳米膜量子隧穿效应的电磁驱动陀螺仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及微机械陀螺仪，具体是一种基于纳米膜量子隧穿效应的电磁驱动陀螺仪。解决了现有微机械陀螺仪所应用的驱动方式、检测方式及与驱动、检测方式对应的结构限制了陀螺仪性能参数进一步提高的问题，包括嵌放有永磁铁的载板、陀螺管芯，陀螺管芯内封装含支撑框体、玻璃基板、组合梁、质量块的陀螺敏感机构；组合梁由检测梁、对称设置于检测梁两侧的“

”形驱动梁构成；检测梁与支撑框体的连接处设置有纳米膜量子隧穿器件；质量块上设置有反馈导线、驱动导线；反馈导线与驱动导线两端经沿组合梁设置的连接导线与支撑框体上相应引线焊盘连接。本发明结构简洁、合理、紧凑，适合于微小型化，且灵敏度等性能参数相较于现有微陀螺仪有较大程度提高。

Description

基于纳米膜量子隧穿效应的电磁驱动陀螺仪

技术领域

本发明涉及微机械陀螺仪，具体是一种基于纳米膜量子隧穿效应的电磁驱动陀螺仪。

背景技术

微机械陀螺仪是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角速度或角位移。目前，微机械陀螺仪最常用的驱动方式为静电驱动方式，该方式是利用驱动部件之间的电压差实现的。静电驱动力的大小与驱动部件间距、驱动电压大小有关，即驱动部件间距越小、驱动电压越大，产生的静电驱动力越大。在驱动力要求很大的驱动部件中，因制作工艺条件约束，使驱动部件间距不可能无限制减小，同时微机械器件低功耗的要求使静电驱动电压不可能无限制增加。微机械陀螺最常用的检测方式为是电容检测方式，电容式陀螺仪的检测精度在于单位角速率下电容的变化量，即电容的变化面积越大，检测的精度越高。由于制作工艺条件和微小型化的要求，有效电容面积变化量已受到很大的限制。陀螺敏感头是微机械式陀螺仪的核心部件，它的灵敏度、分辨率等性能参数在本质上是由陀螺敏感头上制作的敏感检测元件决定的。由于微型化和集成化的要求，敏感元件的区域随之减小，故而使敏感元件的性能参数已达到区域所能敏感的极限状态。同时，陀螺敏感头的驱动振幅也限制了陀螺灵敏度的提高。

与此同时，新兴半导体器件-纳米膜量子隧穿器件正逐步应用于传感器领域中，其核心结构是超晶格纳米级宽带隙材料夹杂着超晶格纳米级窄带隙材料，集中体现在纳米膜量子隧穿效应上，即纳米膜量子隧穿器件在力学信号作用力下，量子化能级的势垒高度会发生变化，使纳米膜量子隧穿器件中的电子发生跃迁，形成隧穿电流，将微弱的力学信号转变成较强的电学信号。

发明内容

本发明为了解决现有微机械陀螺仪所应用的驱动方式、检测方式及与驱动、检测方式对应的结构限制了陀螺仪性能参数进一步提高的问题，提供了一种基于纳米膜量子隧穿效应的电磁驱动陀螺仪。并只以提供该器件的表头硬件结构为目的，不涉及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：基于纳米膜量子隧穿效应的电磁驱动陀螺仪，包括载板、焊接固定于载板中心区域的陀螺管芯，且载板中心区域嵌放有永磁铁，陀螺管芯内封装有陀螺敏感机构；所述陀螺敏感机构包含支撑框体、与支撑框体下表面键合固定的玻璃基板、通过组合梁架设于支撑框体中央的质量块，所述质量块上由X轴向中心线与Y轴向中心线划分得到的四象限区域内分别开设有用于设置组合梁的置梁槽，且质量块上相邻象限内的置梁槽以相邻象限间的分界线-质量块的X轴向中心线或Y轴向中心线为对称轴对称设置；所述组合梁由单端与支撑框体垂直固定连接的检测梁、及对称设置于检测梁两侧的

形驱动梁构成，

形驱动梁的两端分别与检测梁的自由端、质量块连接固定，且检测梁与质量块的X轴向中心线呈垂直关系；检测梁与支撑框体的连接处设置有纳米膜量子隧穿器件；质量块上以Y轴向中心线为对称轴对称设置有两组由反馈导线与驱动导线构成的导线组，且导线组中的反馈导线与驱动导线对称设置于质量块Y轴向上正对的置梁槽两侧；支撑框体上设置有与各纳米膜量子隧穿器件、驱动导线、及反馈导线对应的引线焊盘；反馈导线与驱动导线的两端经沿

形驱动梁、检测梁设置的连接导线与支撑框体上相应的引线焊盘连接；质量块上均布有阻尼孔；驱动导线、反馈导线与质量块间、引线焊盘与支撑框体间、及连接导线与

形驱动梁、检测梁间分别设有绝缘层。

陀螺管芯内封装的陀螺敏感机构处于永磁铁的磁场中，在质量块上驱动导线两端施加交流偏压，依据安培力公式，质量块上的驱动导线受到交变安培力作用，使质量块随着安培力的交变频率在X轴驱动方向上线性简谐振动；当质量块敏感到绕Y轴方向有角速度输入，由于哥氏力作用，质量块将会在Z轴检测方向上产生运动；质量块的运动带动组合梁中的检测梁运动，使检测梁与支撑框体连接处(即检测梁根部)应力发生变化，使设置在检测梁与支撑框体连接处的纳米膜量子隧穿器件的电学特性因受到应力的变化而发生变化，即纳米膜量子隧穿器件因应力的变化产生量子隧穿效应，将微弱力学信号转变成较强的电学信号，通过对纳米膜量子隧穿器件电学特性的检测就可以得到Z轴方向上的角速度大小。

而纳米膜量子隧穿器件的电学特性输出一般采用惠斯通电桥方式，即把纳米膜量子隧穿器件作为压敏电阻使用，构建惠斯通电桥；在选择一定偏压下，调节惠斯通电桥臂上的滑动变阻器使电桥平衡；在应力作用下，纳米膜量子隧穿器件的电阻值发生变化而导致电桥失衡，对失衡电压(输出的差分电压)放大、滤波后就可以得到在应力作用下纳米膜量子隧穿器件的电学变化特性，进而得到输入角速度的大小。

另外，质量块上反馈导线的作用是构建反馈电路，依据反馈导线切割磁感线产生的动生电动势，实时监测质量块的运动状态，进而判断其工作频率等参数；将反馈导线切割磁感线产生的动生电动势经过一些的电路(如信号隔离电路、频率筛选电路、增益控制电路和功率放大电路)后作用于驱动导线，实现闭环驱动电路。这样做的优点在于：1、针对由于加工工艺的不一致性，而导致陀螺敏感机构的结构、共振频率存在差异性这一状况，闭环驱动电路可以使陀螺的频率、幅值自由地选择到其最佳状态；2、针对不同工作环境下测量精度、量程、带宽等方面的不同需要，可以通过调整反馈电路的参数来满足。

与现有技术相比，本发明采用无接触式电磁驱动，利用带电导线在磁场内受到的安培力实现，根据安培力公式可知，选择磁场强度B高的永磁铁提供磁场，对驱动导线施加小工作电压即可对质量块实现大驱动力、大行程谐振驱动，满足微机械器件低功耗要求，且实现结构相较于静电驱动要简洁得多，易加工；采用纳米膜量子隧穿器件检测方式，在质量块与支撑框架间组合梁的应力敏感区域设置纳米膜量子隧穿器件，由哥氏力引起的组合梁应变会使纳米膜量子隧穿器件的电学特性发生变化，根据纳米膜量子隧穿器件的电学特性变化量即可得到角速度的大小，由于纳米膜量子隧穿器件的灵敏度高达10^-9(硅为10^-11)数量级，使得本发明所述电磁驱动陀螺可以高灵敏度测量，比电容式检测方式的灵敏度要高1-2个数量级，利于提高本发明所述陀螺仪的检测精度和分辨率，使检测数据更加精确、可靠，且纳米膜量子隧穿器件的加工工艺已经成熟；另外，质量块与支撑框架间的组合梁由检测梁、及对称设置于检测梁两侧的

形驱动梁构成，驱动梁的对称设置结构能抑制驱动、检测时的相互影响，适合器件的微小型化和陀螺的正交解耦；在质量块上增设构建反馈电路的反馈导线，用于实时监控质量块的运动状态，对施加在驱动导线上的交变电压调整提供依据，使陀螺仪整体达到工作最佳状态。本发明所述陀螺仪是以公知的MEMS加工工艺加工而成，其具体加工步骤为本领域技术人员熟知。

本发明将纳米膜量子隧穿效应、电磁驱动与陀螺哥氏效应相结合，结构简洁、合理、紧凑，适合于微小型化，且灵敏度等性能参数相较于现有微陀螺仪有较大程度提高。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为陀螺敏感机构的结构示意图；

图3为图2的俯视图；

图4为图2中A处的放大图；

图5为玻璃基板的结构示意图；

图6为组合梁的结构示意图；

图7为载板的结构示意图；

图中：1-载板；2-陀螺管芯；3-永磁铁；4-支撑框体；5-玻璃基板；6-质量块；7-置梁槽；8-检测梁；9-

形驱动梁；10-纳米膜量子隧穿器件；11-反馈导线；12-驱动导线；13、14、15-引线焊盘；16-连接导线；17-阻尼孔；18-绝缘层；19-固定孔；20-方形凹槽。

具体实施方式

基于纳米膜量子隧穿效应的电磁驱动陀螺仪，包括载板1、焊接固定于载板1中心区域的陀螺管芯2，且载板1中心区域嵌放有永磁铁3，陀螺管芯2内封装有陀螺敏感机构；所述陀螺敏感机构包含支撑框体4、与支撑框体4下表面键合固定的玻璃基板5、通过组合梁架设于支撑框体4中央的质量块6，所述质量块6上由X轴向中心线与Y轴向中心线划分得到的四象限区域内分别开设有用于设置组合梁的置梁槽7，且质量块6上相邻象限内的置梁槽7以相邻象限间的分界线-质量块6的X轴向中心线或Y轴向中心线为对称轴对称设置；所述组合梁由单端与支撑框体4垂直固定连接的检测梁8、及对称设置于检测梁8两侧的形驱动梁9构成，

形驱动梁9的两端分别与检测梁8的自由端、质量块6连接固定，且检测梁8与质量块6的X轴向中心线呈垂直关系；检测梁8与支撑框体4的连接处设置有纳米膜量子隧穿器件10；质量块6上以Y轴向中心线为对称轴对称设置有两组由反馈导线11与驱动导线12构成的导线组，且导线组中的反馈导线11与驱动导线12对称设置于质量块6Y轴向上正对的置梁槽7两侧；支撑框体4上设置有与各纳米膜量子隧穿器件10、反馈导线11、及驱动导线12对应的引线焊盘13、14、15；反馈导线11与驱动导线12的两端经沿

形驱动梁9、检测梁8设置的连接导线16与支撑框体4上相应的引线焊盘14、15连接；质量块6上均布有阻尼孔17；驱动导线12、反馈导线11与质量块6间、引线焊盘13、14、15与支撑框体4间、及连接导线16与

形驱动梁9、检测梁8间分别设有绝缘层18。

具体实施时，玻璃基板5中央刻蚀有为质量块6上下运动提供空间的方形凹槽20，方形凹槽20的深度视陀螺的检测量程和阻尼系数确定；载板1的四角开有固定孔19；质量块6上的阻尼孔17可视需要设计成圆形或矩形，其尺寸大小和数量个数可根据应用环境和阻尼系数确定；永磁铁3的形状可为圆形或矩形；组合梁中

形驱动梁9的厚度与质量块6的厚度相同，检测梁8的厚度小于两侧

形驱动梁9，这样，使得质量块6在驱动方向上振动时，检测梁8几乎不会在X轴驱动方向上产生振动，制作在检测梁8根部的纳米膜量子隧穿器件10不会因X轴驱动方向上的运动而导致电学性能发生变化，而质量块6在Z轴检测方向上运动时，

形驱动梁9的总刚度远大于检测梁8的刚度，由位移叠加原理可知，

形驱动梁9在Z轴检测方向上会产生小量的位移，但总位移的75.76％将由检测梁8产生，由此可知，

形驱动梁9可最大程度上的把哥氏力传递到检测梁8，从而使检测梁8发生形变引起纳米膜量子隧穿器件10的电学性能变化。且根据应力与检测梁的厚度的平方成反比关系，检测梁厚度越小，受到的应力越大，由于纳米膜量子隧穿器件10对应力比较敏感，所以本发明所述陀螺仪陀螺敏感机构的灵敏度极高。

Claims (3)

1、一种基于纳米膜量子隧穿效应的电磁驱动陀螺仪，其特征在于：包括载板(1)、焊接固定于载板(1)中心区域的陀螺管芯(2)，且载板(1)中心区域嵌放有永磁铁(3)，陀螺管芯(2)内封装有陀螺敏感机构；所述陀螺敏感机构包含支撑框体(4)、与支撑框体(4)下表面键合固定的玻璃基板(5)、通过组合梁架设于支撑框体(4)中央的质量块(6)，所述质量块(6)上由X轴向中心线与Y轴向中心线划分得到的四象限区域内分别开设有用于设置组合梁的置梁槽(7)，且质量块(6)上相邻象限内的置梁槽(7)以相邻象限间的分界线-质量块(6)的X轴向中心线或Y轴向中心线为对称轴对称设置；所述组合梁由单端与支撑框体(4)垂直固定连接的检测梁(8)、及对称设置于检测梁(8)两侧的

形驱动梁(9)构成，

形驱动梁(9)的两端分别与检测梁(8)的自由端、质量块(6)连接固定，且检测梁(8)与质量块(6)的X轴向中心线呈垂直关系；检测梁(8)与支撑框体(4)的连接处设置有纳米膜量子隧穿器件(10)；质量块(6)上以Y轴向中心线为对称轴对称设置有两组由反馈导线(11)与驱动导线(12)构成的导线组，且导线组中的反馈导线(11)与驱动导线(12)对称设置于质量块(6)Y轴向上正对的置梁槽(7)两侧；支撑框体(4)上设置有与各纳米膜量子隧穿器件(10)、反馈导线(11)、及驱动导线(12)对应的引线焊盘(13、14、15)；反馈导线(11)与驱动导线(12)的两端经沿

形驱动梁(9)、检测梁(8)设置的连接导线(16)与支撑框体(4)上相应的引线焊盘(14、15)连接；质量块(6)上均布有阻尼孔(17)；驱动导线(12)、反馈导线(11)与质量块(6)间、引线焊盘(13、14、15)与支撑框体(4)间、及连接导线(16)与

形驱动梁(9)、检测梁(8)间分别设有绝缘层(18)。

2、根据权利要求1所述的基于纳米膜量子隧穿效应的电磁驱动陀螺仪，其特征在于：玻璃基板(5)中央刻蚀有为质量块(6)上下运动提供空间的方形凹槽(20)。

3、根据权利要求1所述的基于纳米膜量子隧穿效应的电磁驱动陀螺仪，其特征在于：组合梁中

形驱动梁(9)的厚度与质量块(6)的厚度相同，检测梁(8)的厚度小于两侧

形驱动梁(9)。

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