CN112964249A - 基于重力梯度测量的面内式mems隧穿姿态敏感器 - Google Patents

基于重力梯度测量的面内式mems隧穿姿态敏感器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了属于角度测量的惯性传感器技术领域的一种基于重力梯度测量的面内式MEMS隧穿姿态敏感器。该面内式MEMS隧穿姿态敏感器由敏感模块、斧形针尖、可动电极模块组成；其中，敏感模块由柔性梁和质量块组成；可动电极模块由连接针尖结构，驱动疏齿，反馈疏齿，四支撑梁组成；并整体置于隔离罩内；然后隔离罩固定在地面单轴转台上，地面单轴转台绕转动轴转动，形成隧穿姿态敏感器测量系统。本发明具有高精度微小位移检测功能，能在保持现有MEMS星载姿态敏感器测角精度的同时实现一体化加工，大大减小传感器的尺寸及组装难度。

Description

基于重力梯度测量的面内式MEMS隧穿姿态敏感器
技术领域
本发明属于角度测量的惯性传感器技术领域，特别涉及一种基于重力梯度测量的面内式MEMS隧穿姿态敏感器。
背景技术
从20世纪70年代至今，国际上重力梯度仪的基本原理有差分加速度计法和基于扭矩测量的方法。由于其具备测量速度快、精度高等优点，目前国际上已经实现应用的星载重力梯度仪多数是基于加速度计的方案。由于重力梯度测量的重要性，美国海军和空军从20世纪70年代开始，投入几亿美元进行重力梯度仪的研制。
基于MEMS技术领域的空间重力梯度属于起步阶段。2009年荷兰屯特大学首次研制出基于MEMS加速度计的重力梯度仪，重力梯度测量精度可达1E/√Hz。这种重力梯度仪采用一个单独的晶圆构成，在这个晶圆上集成了两个MEMS加速度计，每个加速度计有两个梳状电容结构。该MEMS加速度计式重力梯度仪用作重力梯度的测量，还未被用来实现卫星的姿态确定。
2012年瑞士洛桑联邦理工学院基于MEMS技术，通过测量重力梯度扭矩设计惯性传感器，可在微重力条件下的测量纳米级位移，最终输出的姿态角精度达到10°。并于同年装载在学生探空火箭REXUS 11，完成了“地球重力梯度传感器”等多项星载实验。该传感器器采用差分电容的测试方案设计传感器。但是差分电容上下极板的位移限制了它的灵敏度。它最终只达到10°的精度。
申请号为201810744597.9，一种重力梯度仪及星敏感器的联合定姿方法中公开了建立角加速度测量模型，并基于卫星动力学方程，在重力梯度仪采样周期的时间区间内，由重力梯度仪测量值确定角速度增量。
申请号为ZL202010085996.6，基于重力梯度扭矩测量设计MEMS姿态传感器中，公开的敏感结构在地面设计转角测试平台，最终输出的姿态角精度达到4°。但是，传感器的针尖与敏感模块并没有实现MEMS的一体化加工，这就给组装传感器的位移检测系统带来困难。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于重力梯度测量的面内式MEMS隧穿姿态敏感器，其特征在于，该面内式MEMS隧穿姿态敏感器由敏感模块、斧形针尖、可动电极模块组成；
所述面内式MEMS隧穿姿态敏感器微小位移检测模块由斧形针尖6与敏感模块5的下表面接触，斧形针尖6固定在传感器支架4方框的底面，可动电极模块7置于传感器支架4方框的底面，斧形针尖6垂直插入可动电极模块7中心的连接针尖结构71，并相互绝缘；敏感模块5竖直悬挂于传感器支架4方框的顶面上，位于斧形针尖6上方，构成隧穿式微小位移检测模块；并整体通过传感器支架4放置于隔离罩3内；敏感模块5连接到直流电源1的正极，直流电源1的负极与斧形针尖6连接；可动电极模块7的上下驱动疏齿分别连接到直流电源2的正负级；然后隔离罩3固定在地面单轴转台9上面，地面单轴转台9的中央固定转动轴8，地面单轴转台9绕转动轴8转动，形成重力梯度测量系统；其中地面单轴转台是一台地面模拟卫星转动的平台，型号是SGT-3。
所述敏感模块的质量块52固定在柔性梁51两侧，使得柔性梁51纵向轴线与重力方向平行，组成敏感模块；敏感模块(5)、斧形针尖(6)与可动电极模块(7)通过MEMS工艺实现一体化加工，并放置在传感器支架(4)上；
所述可动电极模块为驱动梳齿72和反馈梳齿73平行固定于连接针尖结构71上，四支撑梁74与平行固定在驱动梳齿72和反馈梳齿73之间。
所述基于重力梯度测量的面内式MEMS隧穿姿态敏感器的姿态获取测量方法，其特征在于，首先通过直流电源2对可动电极模块7加工作电压，连接针尖结构71向上移动，带动斧形针尖6向敏感模块5的下表面移动，逐渐减小敏感模块5下表面与斧形针尖6间的距离，直至达到稳定的静态隧道电流，隧道电流阈值设为2nA；当敏感模块5倾角随着地面单轴转台9发生改变时，重力梯度差异会使得质量块52的纵向轴线修正到垂线方向，即导致柔性梁51弯曲并随着转角的增大得到一个恢复力矩，该旋转角使得扭摆结构的两端产生一段纳米级位移；同时，该位移的改变引起隧道电流的指数级变化；通过调整隧穿效应电源1的电压保持隧道电流稳定不变，将此时的电压值带入标定表中进行计算，以求出目标旋转的角度值。
本发明的有益效果为本发明的面内式MEMS隧穿姿态敏感器是基于量子力学中的隧道电流效应，具有高精度的微小位移检测功能，并将实现隧道电流效应的电极与针尖同时设计在一张版图内，能在保持现有MEMS星载姿态敏感器测角精度的同时实现一体化加工，大大减小传感器的尺寸及组装难度。
附图说明
图1所示为基于重力梯度测量的面内式MEMS隧穿姿态敏感器组成示意图；
图2所示是敏感模块结构示意图；
图3所示是斧形针尖与可动电极模块结构示意图；
图4a、图4b所示为面内式MEMS隧穿姿态敏感器安装示意图；
具体实施方式
本发明提出一种基于重力梯度测量的面内式MEMS隧穿姿态敏感器，以下结合附图和实施例对本发明予以进一步说明。
图1、图4a、图4b所示为基于重力梯度测量的面内式MEMS隧穿姿态敏感器组成示意图。该面内式MEMS隧穿姿态敏感器由敏感模块、斧形针尖、可动电极模块组成；其中，斧形针尖6与敏感模块5的下表面接触，斧形针尖6固定在传感器支架4方框的底面，可动电极模块7置于传感器支架4方框的底面，斧形针尖6垂直插入可动电极模块7中心的连接针尖结构71，并相互绝缘；敏感模块5竖直悬挂于传感器支架4方框的顶面上，位于斧形针尖6上方，构成隧穿式微小位移检测模块；并整体通过传感器支架4放置于隔离罩3内；敏感模块5连接到直流电源1的正极，直流电源1的负极与斧形针尖6连接；可动电极模块7的上下驱动疏齿分别连接到直流电源2的正负级；然后隔离罩3固定在地面单轴转台9上面，地面单轴转台9的中央固定转动轴8，地面单轴转台9绕转动轴8转动(如图4a、图4b所示)，形成重力梯度测量系统；其中地面单轴转台是一台地面模拟卫星转动的平台，型号是SGT-3。
图2所示是敏感模块结构示意图；敏感模块的质量块52固定在柔性梁51两侧，使得柔性梁51纵向轴线与重力方向平行，组成敏感模块；敏感模块5、斧形针尖6与可动电极模块7通过MEMS工艺实现一体化加工，并放置在传感器支架4上；
图3所示是斧形针尖与可动电极模块的连接结构示意图；所述可动电极模块为驱动梳齿72和反馈梳齿73平行固定于连接针尖结构71上，四支撑梁74与平行固定在驱动梳齿72和反馈梳齿73之间。
如图4a、图4b所示，所述基于重力梯度测量的面内式MEMS隧穿姿态敏感器的姿态获取测量方法，首先通过直流电源2对可动电极模块7加工作电压，连接针尖结构71向上移动，带动斧形针尖6向敏感模块5的下表面移动，逐渐减小敏感模块5下表面与斧形针尖6间的距离，直至达到稳定的静态隧道电流，隧道电流阈值设为2nA；当敏感模块5倾角随着地面单轴转台9发生改变时，重力梯度差异会使得质量块52的纵向轴线修正到垂线方向，即导致柔性梁51弯曲并随着转角的增大得到一个恢复力矩，该旋转角使得扭摆结构的两端产生一段纳米级位移；同时，该位移的改变引起隧道电流的指数级变化；通过调整隧穿效应电源1的电压保持隧道电流稳定不变，将此时的电压值带入标定表中进行计算，以求出目标旋转的角度值。
实施例1
本发明的工作原理首先通过直流电源2对可动电极模块7加工作电压，驱动连接针尖结构71向上移动，带动斧形针尖6向敏感模块5的下表面移动，逐渐减小敏感模块5下表面与斧形针尖6间的距离，直至达到稳定的静态隧道电流，隧道电流阈值设为2nA；当敏感模块5倾角随着地面单轴转台9发生改变时，重力梯度差异会使得质量块52的纵向轴线修正到垂线方向，即导致柔性梁51弯曲并随着转角的增大得到一个恢复力矩，该旋转角使得扭摆结构的两端产生一段纳米级位移z，如下式所示。
Figure BDA0002932135200000061
其中，μ是地球引力常数，Ix、Iy是敏感模块分别在x、y轴的转动惯量，R是轨道高度，k是柔性梁的弹性系数。
同时，该位移的改变引起隧道电流的指数级变化，如下式所示。
Figure BDA0002932135200000062
其中，I0是初始隧穿电流，
Figure BDA0002932135200000063
Φ是硅尖和电极表面间的势垒，s是斧形针尖6与敏感模块5下表面之间的距离。通过调整隧穿效应电源1的电压保持隧道电流稳定不变，将此时的电压值带入标定表中进行计算，以求出目标旋转的角度值θ。
具体测试步骤如下：
步骤1连接系统，将隧穿效应电源正负极分别连接敏感模块与斧形针尖，将可动电极驱动电源正负极分别连接可动电极模块的上下驱动疏齿，通过增加电极驱动电源的大小驱动可动电极向上移动，带动斧形针尖向敏感模块的下表面移动，直至隧穿电流出现，并使之维持在2nA的稳定值；
步骤2以2°为间隔改变转台的角度；
步骤3转台角度发生改变后，带动质量块的扭摆，使得原来稳定的隧穿电流发生变化，调整可动电极驱动电源的大小，驱动斧形针尖上下移动，直至电流恢复至2nA，记录此时驱动电源电压值z；
步骤4重复步骤2～3共计20次，制作并形成一张转台转角角度值θ与驱动电源电压值z一一对应的标定表，分别计作θi和zi；
步骤5测试时，改变三轴转台的角度，测试范围为-20°至20°，记录此时达到稳定2nA隧穿电流时对应的驱动电源电压值，计作zj；
步骤6将驱动电源电压值zj带入标定表中，按下式计算得出一个角度值xi：
Figure BDA0002932135200000071
步骤7计算不同角度下测量值xi和真实值μ的差，对误差值进行统计，按照下式计算标准差，记做该敏感器的系统误差δ1；
Figure BDA0002932135200000072
步骤8在同一角度下进行20次重复测量并计算标准差，记做该敏感器的随机误差δ2；
步骤9按照下式求出该敏感器的总误差。
Figure BDA0002932135200000073
步骤10统计得出姿态敏感器的精度值。
实施例2
参数设计所考虑的内容按照以下优先级排序。首先是工艺问题，使用现有的工艺手段能将器件加工出来是最重要的，第二该器件需要能够满足测试条件，第三在满足前两者的条件下尽可能地提高器件的灵敏度；具体包括：
(1)柔性的参数设计
双梁的扭转刚度系数kt和平移刚度系数kg等效比例公式如下所示：
Figure BDA0002932135200000074
收到深硅刻蚀工艺的影响，宽度和深度是一对互相制约的参数，深度不能随便选取，梁的深度即为质量块的深度。如果深度过大，质量块也增厚，刻蚀难度会增加，带来MEMS加工难度加大。w为柔性梁宽；d为柔性梁厚；
最终定义柔性梁的参数为：长1mm，宽20μm，厚100μm。
(2)质量块的参数设计
质量块设计的主要思路是在MEMS可加工技术的前提下生产出转动惯量尽可能大的质量块。厚度受DRIE工艺条件所限制，假定DRIE深宽比为1:10，若质量块的厚度为100μm，那么限制质量块的横向移动间隙(保证系统鲁棒性)即不小于10μm，结合工艺难度和单步工艺试验，最终确定刻蚀槽宽度为20μm。由于扭摆结构四周设计保护阻挡件，保护阻挡与质量块之间的间隙即刻蚀间隙，在保护器件的同时也限制了器件的横向移动。为了提高鲁棒性放置结构断裂，质量块的厚度及刻蚀间隙也会受到约束。
最终定义质量块的参数为：长3cm，宽1cm，厚100μm。
最终得到质量块、双柔性梁的结构参数，如表1所示。
(3)疏齿的设计
梳齿参数的确定主要考虑以下两个因素：
a.要有利于提高梳齿驱动力；
b.要有利于梳齿的加工。
梳齿电极的静电吸引力如下式所示：
Figure BDA0002932135200000081
其中：N为梳齿的数目，ε0是介电常数，sd是梳齿的厚度，ss是梳齿之间的间距。在假设交叠区电容近似为平行板电容时，静电驱动吸引力只与梳齿厚度sd与梳齿间距ss有关系。
加工时为了增大静电吸引力，可以通过硅加工工艺减小梳齿间距ss。而增加梳齿厚度sd则不必要，因为从加工角度考虑，梳齿的厚度应该与质量弹簧系统的厚度一致，增加的梳齿力和增加的质量弹簧系统质量相抵消，并不能降低驱动电压。同时，增加梳齿厚度会增加梳齿的深宽比，会增加加工难度。另外，由于梳齿拉动的距离小于10μm，故梳齿的齿长及初始交叠长度均不宜太大。
最终定义疏齿电极的参数为：梳齿间隙16μm，梳齿厚度100μm，梳齿齿宽30μm，初始叠交长度10μm，梳齿齿长30μm。
质量块、柔性梁、疏齿电极的结构参数如下表所示。
表1结构参数
结构 参数
质量块长a 3cm
质量块宽b 1cm
质量块厚d 100μm
柔性梁长l 1mm
柔性梁宽w 20μm
柔性梁厚d 100μm
斧形针尖长x 150μm
斧形针尖宽y 15μm
疏齿间距s<sub>s</sub> 16μm
梳齿厚度s<sub>d</sub> 100μm
疏齿齿宽s<sub>b</sub> 30μm
初始叠交长度s<sub>l</sub> 10μm
梳齿齿长s<sub>a</sub> 30μm

Claims (4)

1.一种基于重力梯度测量的面内式MEMS隧穿姿态敏感器，其特征在于，该面内式MEMS隧穿姿态敏感器由敏感模块、斧形针尖、可动电极模块组成；
所述面内式MEMS隧穿姿态敏感器由斧形针尖(6)与敏感模块(5)的下表面接触，斧形针尖(6)固定在传感器支架(4)方框的底面，可动电极模块(7)置于传感器支架(4)方框的底面，斧形针尖(6)垂直插入可动电极模块(7)中心的连接针尖结构(71)，并相互绝缘；敏感模块(5)竖直悬挂于传感器支架(4)方框的顶面上，位于斧形针尖(6)上方，构成隧穿式微小位移检测模块；并整体通过传感器支架(4)放置于隔离罩(3)内；敏感模块(5)连接到直流电源(1)的正极，直流电源(1)的负极与斧形针尖(6)连接；可动电极模块(7)的上下驱动疏齿分别连接到直流电源(2)的正负级；然后隔离罩(3)固定在地面单轴转台(9)上面，地面单轴转台(9)的中央固定转动轴(8)，地面单轴转台(9)绕转动轴(8)转动，形成重力梯度测量系统；其中地面单轴转台是一台地面模拟卫星转动的平台，型号是SGT-3。
2.根据权利要求1所述的基于重力梯度测量的面内式MEMS隧穿姿态敏感器，其特征在于，所述敏感模块的质量块(52)固定在柔性梁(51)两侧，使得柔性梁(51)纵向轴线与重力方向平行，组成敏感模块；敏感模块(5)、斧形针尖(6)与可动电极模块(7)通过MEMS工艺实现一体化加工，并放置在传感器支架(4)上。
3.根据权利要求1所述的基于重力梯度测量的面内式MEMS隧穿姿态敏感器，其特征在于，所述可动电极模块为驱动梳齿(72)和反馈梳齿(73)平行固定于连接针尖结构(71)上，四支撑梁(74)平行固定在驱动梳齿(72)和反馈梳齿(73)之间。
4.一种权利要求1所述的基于重力梯度测量的面内式MEMS隧穿姿态敏感器的姿态获取测量方法，其特征在于，首先通过直流电源(2)对可动电极模块(7)加工作电压，连接针尖结构(71)向上移动，带动斧形针尖(6)向敏感模块(5)的下表面移动，逐渐减小敏感模块(5)下表面与斧形针尖(6)间的距离，直至达到稳定的静态隧道电流，隧道电流阈值设为2nA；当敏感模块(5)倾角随着地面单轴转台(9)发生改变时，重力梯度差异会使得质量块(52)的纵向轴线修正到垂线方向，即导致柔性梁(51)弯曲并随着转角的增大得到一个恢复力矩，该旋转角使得扭摆结构的两端产生一段纳米级位移；同时，该位移的改变引起隧道电流的指数级变化；通过调整隧穿效应电源(1)的电压保持隧道电流稳定不变，将此时的电压值带入标定表中进行计算，以求出目标旋转的角度值。
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