靜電驅(qū)動壓阻檢測微機械陀螺儀的研究

1、靜電驅(qū)動壓阻檢測微機械陀螺儀的研究2010年第24卷第4期(總第82期)測試技術(shù)學(xué)報JOURNALOFTESTANDMEASUREMENTTECHNOLOGYVo1.24No.42010(SumNO.82)文章編號:16717449(2O1O)O4033405靜電驅(qū)動壓阻檢測微機械陀螺儀的研究王瑞榮,杜康,石云波h,劉(1.中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家重點實驗室,山西俊,太原030051;2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室,山西太原030051)摘要:對靜電驅(qū)動壓阻檢測微機械陀螺儀進行了結(jié)構(gòu)設(shè)計并對工作原理進行了介紹.與硅壓阻器件相比,本文利用多勢壘納米膜所具有的壓阻效應(yīng)作為檢測方式,

2、實現(xiàn)了較高的壓阻靈敏度;采用硅基異質(zhì)外延砷化鎵薄膜工藝進行陀螺結(jié)構(gòu)以及多勢壘納米膜器件的加工,較好地實現(xiàn)了工藝的兼容.通過對結(jié)構(gòu)進行模態(tài)仿真,確定了陀螺的固有頻率.關(guān)鍵詞:靜電驅(qū)動;壓阻檢測;結(jié)構(gòu)設(shè)計;微機械陀螺;加工工藝中圖分類號:TP212.12文獻標識碼:Adoi:10.3969/j.issn.16717449.2010.04.01lResearchonMicromachinedGyroscopewithElectrostaticDriveandPiez0resistiveDetectionWANGRuirong,DUKang,SHIYunbo,LIUJun(1.NationalKeyL

3、abforElectronicMeasurementandTechnology,NorthUniversityofChina,Taiyuan030051,China;2.KeyLaboratoryofInstrumentationScience&DynamicMeasurement(MinistryofEducation),NorthUniversityofChina,Taiyuan030051,China)Abstract:Thestructuredesignandworkingprincipleofthemicromachinedgyroscopebasedonbothth

4、eelectrostaticdriveandthepiezoresistivedetectionwereintroduced.Comparingwiththetraditionallyusedsiliconpiezoresistivedevices,themultibarriernanofilmshowedahigherpiezoresistivesensitivity.Processcompatibilitywasimplementedbyfabricatingthegyroscopestructureandmultibarriernano.filmwithheteroepitaxyGaAs

5、filmonSisubstrate.ThenaturalfrequenciesofgyroscopewerecalculatedbymodalanalysisofFEM.Keywords:electrostaticdrive;piezoresistivedetection;structuredesign;micromachinedgyroscope;fabricationprocess0引微機械陀螺儀是一種重要的慣性傳感器,用于測量運動物體的姿態(tài)或轉(zhuǎn)動角速度,具有體積小,重收稿日期:基金項目:作者簡介:通倍作者:20100601國家自然科學(xué)基金資助項目(50675212)王瑞榮(1985一),

6、女,碩士生,主要從事MEMS慣性器件的設(shè)計,制造與測試研究石云波(1972一).男,副教授,碩士,主要從事慣性器件研究.言目(總第82期)靜電驅(qū)動壓阻檢測微機械陀螺儀的研究(王瑞榮等)335量輕,可靠性好,易于集成等優(yōu)點,由于這些優(yōu)點使其在軍用以及民用等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景.目前微機械陀螺儀有一些產(chǎn)品面世并商業(yè)化,但仍然存在著精度不高,穩(wěn)定性差和可靠性不高等缺點,因此對新型微機械陀螺的研究和探討是非常必要的.本文提出了一種采用靜電梳齒驅(qū)動微機械陀螺儀,利用多勢壘納米膜隧穿效應(yīng)器件所具有的壓阻效應(yīng)作為檢測方式.靜電梳齒驅(qū)動具有驅(qū)動力大,品質(zhì)因子高等優(yōu)點4;多勢壘納米膜隧穿效應(yīng)器件也稱之為共振隧

7、穿二極管(RTD)具有高靈敏度的特點,它是一種雙端負阻超晶格量子阱器件_5,其核心結(jié)構(gòu)是納米級寬帶隙材料中夾著納米級窄帶隙材料.它所具有的壓阻效應(yīng)可以通過4個物理過程來實現(xiàn).原理上講,在力學(xué)信號作用下,納米結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力分布將發(fā)生變化;一定條件下應(yīng)力變化可引起內(nèi)建電場的產(chǎn)生;內(nèi)建電場將導(dǎo)致納米帶結(jié)構(gòu)中量子能級發(fā)生變化;量子能級變化會引起共振隧穿電流變化J.簡言之,在共振隧穿電壓附近,通過上述4個物理過程,可將一個微弱力學(xué)信號轉(zhuǎn)化為一個較強的電學(xué)信號.通過分子束異質(zhì)外延技術(shù)在Si襯底上制備GaAs單晶薄膜.同時在該單晶薄膜上外延多層納米薄膜結(jié)構(gòu),利用該薄膜結(jié)構(gòu)加工多勢壘納米膜隧穿效應(yīng)器件_10_;

8、采用MEMS微加工技術(shù)在Si襯底上制作陀螺儀的結(jié)構(gòu),實現(xiàn)GaAs單晶薄膜工藝和Si基微機械加工工藝的集成.1靜電驅(qū)動壓阻檢測陀螺儀結(jié)構(gòu)設(shè)計及工作原理靜電驅(qū)動壓阻檢測微機械陀螺儀結(jié)構(gòu)如圖1所示.它主要由檢測梁,驅(qū)動梁,固定梳齒,活動梳齒,質(zhì)量塊,阻尼孔,多勢壘納米膜隧穿器件組成,其中多勢壘納米膜隧穿器件放置于檢測梁的根部.當在x方向給陀螺施加靜電驅(qū)動力時,質(zhì)量塊會產(chǎn)生沿驅(qū)動軸方向(x方向)的往復(fù)運動,此時,若有y軸方向的角速度輸入,在哥氏效應(yīng)的作用下敏感質(zhì)量塊將在z軸方向上產(chǎn)生位移;質(zhì)量塊的運動使檢測梁彎曲變形使其根部應(yīng)力變大,制作在應(yīng)力敏感區(qū)域的多勢壘納米隧穿膜器件在應(yīng)變的作用下將力學(xué)信號轉(zhuǎn)變

9、成電學(xué)信號,簡言之,通過敏感器件多勢壘納米膜隧穿器件可將角速度信號轉(zhuǎn)化成電學(xué)信號,對該電學(xué)信號的檢測就可求得角速度的大小.該陀螺結(jié)構(gòu)的設(shè)計具有以下幾個優(yōu)點:1)采用多勢壘納米膜隧穿器件所具有的壓阻效應(yīng)作為檢測方式,具有較高壓阻靈敏度,在同樣哥氏力的作用下,同硅壓阻器件相比可最大程度上的實現(xiàn)哥氏加速度的檢測;圈1陀螺結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1Theimageofgyroscopestructure2)多勢壘納米膜器件采用Si基異質(zhì)外延GaAs薄膜工藝制成,陀螺結(jié)構(gòu)采用Si襯底制成,Si材料的優(yōu)異材料屬性可提高陀螺結(jié)構(gòu)的固有性能,同時可較好地實現(xiàn)工藝的兼容.2結(jié)構(gòu)仿真利用ANSYS仿真軟件對所設(shè)計的結(jié)構(gòu)

10、進行模態(tài)以及靜態(tài)分析.2.1模態(tài)仿真圖2為陀螺前4階振型圖,從圖中可以看出,1階振型為陀螺的驅(qū)動模態(tài),振動頻率為3117.9Hz,2階振型為陀螺的檢測模態(tài),振動頻率為3281.8Hz,陀螺驅(qū)動模態(tài),檢測模態(tài)的諧振頻率之差為163.9Hz.前兩階模態(tài)諧振頻率與后面幾階模態(tài)的頻率相差較遠,非常有效地降低了交叉耦合對陀螺的336測試技術(shù)學(xué)報2010年第4期影響,并且可以使陀螺穩(wěn)定工作.表1為陀螺的各階固有頻率.2.2靜態(tài)仿真(a)1階頻率圖(b)2階頻率圖圖2陀螺模態(tài)仿真圖Fig.2Themodeshapesofgyroscope靜電驅(qū)動壓阻檢測陀螺的敏感元件是多勢壘納米膜器件,該器件對檢測梁上應(yīng)力

11、的變化比較敏感.通過靜態(tài)分析得到了檢測梁上應(yīng)力敏感區(qū)域以及質(zhì)量塊在哥氏加速度作用下的位移值.靜態(tài)應(yīng)力仿真圖以及位移仿真圖如圖3所示.(a)靜態(tài)位移仿真圖(d)4階頻率圖表1陀螺各階固有頻率Tab.1Thenaturalfrequenciesofgyroscope階數(shù)第1階第2階第3階第4階固有頻率/Hz3117.93281.84658.54836.9(b)靜態(tài)應(yīng)力仿真圖圖3陀螺靜態(tài)仿真圖Fig.3Thestaticshapesofgyroscope靜態(tài)仿真分析加載的載荷為10GNm/s(Z軸),從圖3(b)中可知,應(yīng)力最大的區(qū)域在檢測梁的根部,最大應(yīng)力值為3.006MPa(遠小于si材料的斷裂

12、強度值7.3GPa);圖3(a)所示運動的最大位移值為0.231p.m,要使該陀螺具有10GNm/s.沖擊過載能力,在結(jié)構(gòu)設(shè)計時的最大位移間隙應(yīng)大于0.231btm.(總第82期)靜電驅(qū)動壓阻檢測微機械陀螺儀的研究(王瑞榮等)3373工藝設(shè)計結(jié)合現(xiàn)在的加工工藝水平,對靜電驅(qū)動壓阻檢測微機械陀螺儀的加工進行了設(shè)計.工藝主要包括多勢壘納米膜器件與陀螺結(jié)構(gòu)的加工,表2是多勢壘納米膜的結(jié)構(gòu)層.表2多勢壘納米膜結(jié)構(gòu)層Tab.2Thestructureofdoublebarriernanofilm材料摻雜濃度厚/nm發(fā)射極歐姆接觸層N+一GaAs3×101scm一35OO發(fā)射極N十一GaAS10

13、17cm一31OGaAs非摻雜5壘前阱ln01Gao9As非摻雜5GaAS非摻雜O.5共振壘AlAs非摻雜1.7隧穿雙勢GaAs非摻雜O.5薄膜壘薄阱ln0.1Gao9As非摻雜4結(jié)構(gòu)膜層GaAs非摻雜0.5壘AlAs非摻雜1.7GaAS非摻雜0.5壘前阱lno1Ga09As非摻雜5GflAs非摻雜5集電極N+一GaAs1017cm一310集電極歐姆接觸層N+一GaAs3×1018cm31000GaAs2mSi基底多勢壘納米膜隧穿器件的加工工藝流程如圖4所示.首先,在Si襯底上異質(zhì)外延GaAs薄膜層;通過MBE方式在GaAs薄膜上外延超晶格納米膜材料;其次,光刻并RIE刻蝕發(fā)射極臺面

14、;刻蝕集電極臺面并在臺面上制作歐姆接觸;最后,淀積si.N薄膜隔離發(fā)射,集電電極;采用犧牲層工藝制作雙空氣橋結(jié)構(gòu).=Si:=了一Gs薄膜I襯底l(a)GaAs薄膜(a)Co)匿蘭竺銎遮鶩羹囊曩國簽鶩露鍪!=霹飄一LjI曼封Ito)歐姆接觸F=旦口&奠一一一一Sil襯底l竺!=I盟I(d)(e)自日日目目目日自lsi襯底ll廠juuuuuuLl(t)一(e)圖4多勢壘納米膜器件加工流程圖圖5陀螺結(jié)構(gòu)加工工藝流程F.嚷.4TheprocessofdoublebarrierllanofilmdeviceFig.5Theprocessofgyroscope陀螺結(jié)構(gòu)的加工流程如圖5所示,

15、加工工藝流程為:RTD加工完成后進行一定的保護處理;陀螺結(jié)構(gòu)正面刻蝕形成控制孔和正面結(jié)構(gòu),控制孔刻蝕深度用于準確的定義檢測梁的厚度;減薄si基襯338測試技術(shù)學(xué)報2010年第4期底到陀螺結(jié)構(gòu)所需的厚度;背面第一次ICP用于形成敏感質(zhì)量塊的運動位移;背面第二次ICP刻蝕用于形成陀螺結(jié)構(gòu)和釋放整體結(jié)構(gòu).經(jīng)過上述工藝就可以加工得到陀螺結(jié)構(gòu).4結(jié)束語本文將陀螺的哥氏效應(yīng)與多勢壘納米膜所具有的壓阻效應(yīng)結(jié)合,設(shè)計了一種新型的靜電驅(qū)動壓阻檢測微機械陀螺儀.與硅壓阻器件相比,本文利用多勢壘納米膜所具有的壓阻效應(yīng)作為檢測方式,實現(xiàn)了較高的壓阻靈敏度.通過ANSYS軟件對設(shè)計的結(jié)構(gòu)進行了模態(tài)仿真和靜態(tài)仿真,并得到

16、陀螺的各階固有頻率.并結(jié)合現(xiàn)有的工藝水平,對陀螺的加工進行了工藝設(shè)計.參考文獻:E1陳偉平,陳宏,郭玉剛,等.一種全對稱微機械陀螺的雙極解耦結(jié)構(gòu)特性J.納米技術(shù)與機械工程,2009,7(3):239244.ChenWeiping,ChenHong,GuoYugang,eta1.DoublydecouplingmechanismofafullysymmetricalmicromachinedgyroscopeJ.NanotechnologyandPrecisionEngineering,2009,7(3):239244.(inChinese)2茅盤松,王修倫.硅微機械振動陀螺的靜電驅(qū)動J.傳感器

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