CN103913159B - 一种隧道式mems陀螺仪 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种隧道式MEMS陀螺仪，属于微机电系统技术领域。本发明提供的隧道式MEMS陀螺仪包括一块正16边形的薄板作为敏感质量键合在玻璃衬底上，正16边型的每一条边对应1个电极，16个电极分为4组，分别作为驱动电极、调节电极、反馈电极和用于产生隧穿电流的楔形锥尖，所述锥尖电极设置在可动梳上；本发明提出了一种全新的结构，采用对称多边形质量块，反馈电极和调节电极有利于实现驱动模态频率和检测模态频率的匹配，实现较高灵敏度；同时，采用可动梳控制锥尖和质量块间的间距，采用两个横向的锥尖检测差分隧道电流，有利于降低漂移，进一步提高了检测灵敏度。

Description

一种隧道式MEMS陀螺仪
技术领域
本发明属于微机电系统技术领域，涉及一种隧道式MEMS陀螺仪。
背景技术
陀螺仪器最早是用于航海导航，但随着科学技术的发展，它在航空和航天事业中也得到了广泛的应用。陀螺仪器不仅可以作为指示仪表，更重要的是它可以作为自动控制系统中的一个敏感元件，即作为信号传感器。根据需要，陀螺仪器能提供准确的方位、水平、位置、角速度和角加速度等信号，以便驾驶员或用自动导航仪来控制飞机、舰船或航天飞机等航行体按一定的航线飞行，而在导弹、卫星运载器或空间探测火箭等航行体的制导中，则直接利用这些信号完成航行体的姿态控制和轨道控制。作为稳定器，陀螺仪器能使列车在单轨上行驶，能减小船舶在风浪中的摇摆，能使安装在飞机或卫星上的照相机相对地面稳定等等。因此，在越来越多的领域，陀螺仪发挥着越来越重要的作用。
微机电系统(MEMS)是对微米/纳米材料进行设计、加工、制造、测量和控制的技术。它可将机械构件、光学系统、驱动部件、电控系统集成为一个整体单元的微型系统。它是通过微电子技术和微加工技术相结合的制造工艺，制造出各种性能优异、价格低廉、微型化的传感器、执行器、驱动器和微系统。MEMS陀螺仪是应用微机电系统技术研发出来的典型微传感器，随着MEMS技术的日益发展，MEMS陀螺仪的性能指标越来越高，其尺寸小、价格便宜的优势在工业、医疗以及其他消费电子产品的各个层面都发挥着巨大的作用。
隧道式MEMS陀螺仪采用硅微机械陀螺仪的力学模型，其结构是一个“弹簧一质量块一阻尼”系统，根据振动力学相关理论可知，该模型具有驱动模态和敏感模态两个振动模态，通过测量敏感模态的振动幅值，则可知转动角速率的大小。然而，目前的电容式、磁电式、压电式、压阻式等MEMS陀螺仪敏感模态的振动幅值的测量精度不够高，且以往两个模态的频率匹配程度不高，难以达到较高的检测灵敏度。
因此，目前急需一种新的技术方案以克服上述缺陷。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种隧道式MEMS陀螺仪，该陀螺仪提出一种全新的结构，采用对称多边形质量块，有利于实现驱动模态频率和检测模态频率的匹配，实现较高灵敏度；同时，采用两个横向的锥尖检测差分隧道电流，有利于降低漂移，进一步提高了检测灵敏度。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种隧道式MEMS陀螺仪，包括一块作为敏感质量的薄板，所述薄板为正16边形，正16边形的每一条边对应1个电极，敏感质量和16个电极都键合在玻璃衬底上。
进一步，所述16个电极分为4组，分别为驱动电极、调节电极、反馈电极和用于产生隧穿电流的锥尖电极；其中：第一电极(A1)、第二电极(A2)、第三电极(A3)、第四电极(A4)作为驱动电极，呈对称分布；第五电极(B1)、第六电极(B2)、第七电极(B3)、第八电极(B4)、第九电极(B5)、第十电极(B6)、第十一电极(B7)和第十二电极(B8)作为调节电极，呈对称分布；第一电极(A1)位于第十二电极(B8)和第五电极(B1)之间，第二电极(A2)位于第六电极(B2)和第七电极(B3)之间，第三电极(A3)位于第八电极(B4)和第九电极(B5)之间，第四电极(A4)位于第十电极(B6)和第十一电极(B7)之间；第十三电极(C1)和第十四电极(C2)作为检测模态的反馈电极，分别位于第七电极(B3)、第八电极(B4)和第九电极(B5)、第十电极(B6)中间。
进一步，16个电极中的第十五电极(T1)、第十六电极(T2)为锥尖电极，用于产生隧穿电流，两个锥尖电极分别位于第五电极(B1)、第六电极(B2)以及第十一电极(B7)、第十二电极(B8)之间。
进一步，所述第十五电极(T1)、第十六电极(T2)设置在可动梳上。
进一步，所述可动梳包括静齿3-1、动齿3-2、折叠梁3-3、锚点3-4；静齿3-1键合在玻璃衬底上，动齿3-2的一端与锥尖电极相连，另一端与折叠梁3-3相连；折叠梁3-3通过锚点3-4键合在玻璃衬底上。
本发明的有益效果在于：提出了一种全新的结构，采用对称多边形质量块，反馈电极和调节电极有利于实现驱动模态频率和检测模态频率的匹配，实现较高灵敏度；同时，采用可动梳控制锥尖和质量块间的间距，采用两个横向的锥尖检测差分隧道电流，有利于降低漂移，进一步提高了检测灵敏度。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为本发明的主体结构示意图；
图2为本发明正16边型薄板及其电极的剖视图；
图3为本发明提供的楔形锥尖结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
在本发明中，将一块正16边形的薄板作为敏感质量，根据振动力学的相关理论，并将该薄板近似为圆形，可以知道该薄板有两个椭圆形振动模态，由于结构的高度对称性，使得它们的波腹与波节正好处于互补的位置，即第一个模态的波腹位置正好是第二个模态的波节，因此两个模态在空间位置上相差45度，理论上振动频率完全一致。采用静电激励的方法使之成为体声波谐振器，按照其第一个模态振动，当有垂直于硅板平面的角速度输入时，振动能量将从第一个模态转移到第二个模态，引起第二个模态的振动，再利用量子隧穿相应精确的检测第二个模态的振幅，即可获得输入角速度的大小。
图1为本发明的主体结构示意图，如图所示，敏感质量为正16边形，正16边形的每一条边对应1个电极，敏感质量和16个电极都键合在玻璃衬底上。
16个电极分为4组，分别为驱动电极、调节电极、反馈电极和用于产生隧穿电流的锥尖电极，以检测敏感模态的振动幅度，获得输入角速度信息；其中：电极A1、电极A2、电极A3、电极A4作为驱动电极，处于驱动模态的波腹位置，呈对称分布；电极B1、电极B2、电极B3、电极B4、电极B5、电极B6、电极B7和电极B8作为调节电极，利用平板电容的“负刚度效应”调节模态振动频率，实现两个模态的频率匹配，以达到较高的检测灵敏度，呈对称分布；电极A1位于电极B8和电极B1之间，电极A2位于电极B2和电极B3之间，电极A3位于电极B4和电极B5之间，电极A4位于电极B6和电极B7之间；电极C1和电极C2作为检测模态的反馈电极，在电路的配合作用下使陀螺的检测模态处于力平衡状态，以拓展其动态范围，改善线性度，分别位于电极B3、电极B4和电极B5、电极B6中间；电极T1、电极T2为楔形锥尖，用于产生隧穿电流，以检测敏感模态的振动幅度，获得输入角速度信息，分别位于电极B1、电极B2以及电极B7、电极B8之间。
图2为本发明正16边型薄板及其电极的剖视图，图3为本发明提供的楔形锥尖结构示意图。在本实施例中，锥尖制作在可动梳上，可动梳包括静齿3-1、动齿3-2、折叠梁3-3、锚点3-4；静齿3-1键合在玻璃衬底上，动齿3-2的一端与锥尖电极相连，另一端与折叠梁3-3相连；折叠梁3-3通过锚点3-4键合在玻璃衬底上。
为了确保隧穿电流的产生，需要使锥尖与对应电极(质量块作为另外一个电极)之间的间距小于1纳米。为此，将锥尖制作在可动梳上，通过在梳齿驱动器上施加偏置电压来控制电极间距。此处，虽然该陀螺结构的锥尖结构是可动的，但是锥尖结构并没有质量块，冲击产生的惯性力非常微弱，因此冲击作用对其影响十分有限，陀螺的可靠性不受影响。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (4)

1.一种隧道式MEMS陀螺仪，其特征在于：包括一块作为敏感质量的薄板，所述薄板为正16边形，正16边形的每一条边对应1个电极，敏感质量和16个电极都键合在玻璃衬底上；所述16个电极分为4组，分别为驱动电极、调节电极、反馈电极和用于产生隧穿电流的锥尖电极；其中：第一电极(A1)、第二电极(A2)、第三电极(A3)、第四电极(A4)作为驱动电极，呈对称分布；第五电极(B1)、第六电极(B2)、第七电极(B3)、第八电极(B4)、第九电极(B5)、第十电极(B6)、第十一电极(B7)和第十二电极(B8)作为调节电极，呈对称分布；第一电极(A1)位于第十二电极(B8)和第五电极(B1)之间，第二电极(A2)位于第六电极(B2)和第七电极(B3)之间，第三电极(A3)位于第八电极(B4)和第九电极(B5)之间，第四电极(A4)位于第十电极(B6)和第十一电极(B7)之间；第十三电极(C1)和第十四电极(C2)作为检测模态的反馈电极，分别位于第七电极(B3)、第八电极(B4)和第九电极(B5)、第十电极(B6)中间。
2.根据权利要求1所述的一种隧道式MEMS陀螺仪，其特征在于：16个电极中的第十五电极(T1)、第十六电极(T2)为锥尖电极，用于产生隧穿电流，两个锥尖电极分别位于第五电极(B1)、第六电极(B2)以及第十一电极(B7)、第十二电极(B8)之间。
3.根据权利要求2所述的一种隧道式MEMS陀螺仪，其特征在于：所述第十五电极(T1)、第十六电极(T2)设置在可动梳上。
4.根据权利要求3所述的一种隧道式MEMS陀螺仪，其特征在于：所述可动梳包括静齿(3-1)、动齿(3-2)、折叠梁(3-3)、锚点(3-4)；静齿(3-1)键合在玻璃衬底上，动齿(3-2)的一端与锥尖电极相连，另一端与折叠梁(3-3)相连；折叠梁(3-3)通过锚点(3-4)键合在玻璃衬底上。
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