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一種隧道式mems陀螺儀的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種隧道式MEMS陀螺儀，屬于微機電系統(tǒng)【技術(shù)領(lǐng)域】。本發(fā)明提供的隧道式MEMS陀螺儀包括一塊正16邊形的薄板作為敏感質(zhì)量鍵合在玻璃襯底上，正16邊型的每一條邊對應(yīng)1個電極，16個電極分為4組，分別作為驅(qū)動電極、調(diào)節(jié)電極、反饋電極和用于產(chǎn)生隧穿電流的楔形錐尖，所述錐尖電極設(shè)置在可動梳上；本發(fā)明提出了一種全新的結(jié)構(gòu)，采用對稱多邊形質(zhì)量塊，反饋電極和調(diào)節(jié)電極有利于實現(xiàn)驅(qū)動模態(tài)頻率和檢測模態(tài)頻率的匹配，實現(xiàn)較高靈敏度；同時，采用可動梳控制錐尖和質(zhì)量塊間的間距，采用兩個橫向的錐尖檢測差分隧道電流，有利于降低漂移，進一步提高了檢測靈敏度。
【專利說明】一種隧道式MEMS陀螺儀
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于微機電系統(tǒng)【技術(shù)領(lǐng)域】,涉及一種隧道式MEMS陀螺儀。
【背景技術(shù)】
[0002]陀螺儀器最早是用于航海導(dǎo)航，但隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，它在航空和航天事業(yè)中也得到了廣泛的應(yīng)用。陀螺儀器不僅可以作為指示儀表，更重要的是它可以作為自動控制系統(tǒng)中的一個敏感元件，即作為信號傳感器。根據(jù)需要，陀螺儀器能提供準(zhǔn)確的方位、水平、位置、角速度和角加速度等信號，以便駕駛員或用自動導(dǎo)航儀來控制飛機、艦船或航天飛機等航行體按一定的航線飛行，而在導(dǎo)彈、衛(wèi)星運載器或空間探測火箭等航行體的制導(dǎo)中，則直接利用這些信號完成航行體的姿態(tài)控制和軌道控制。作為穩(wěn)定器，陀螺儀器能使列車在單軌上行駛，能減小船舶在風(fēng)浪中的搖擺，能使安裝在飛機或衛(wèi)星上的照相機相對地面穩(wěn)定等等。因此，在越來越多的領(lǐng)域，陀螺儀發(fā)揮著越來越重要的作用。
[0003]微機電系統(tǒng)(MEMS)是對微米/納米材料進行設(shè)計、加工、制造、測量和控制的技術(shù)。它可將機械構(gòu)件、光學(xué)系統(tǒng)、驅(qū)動部件、電控系統(tǒng)集成為一個整體單元的微型系統(tǒng)。它是通過微電子技術(shù)和微加工技術(shù)相結(jié)合的制造工藝，制造出各種性能優(yōu)異、價格低廉、微型化的傳感器、執(zhí)行器、驅(qū)動器和微系統(tǒng)。MEMS陀螺儀是應(yīng)用微機電系統(tǒng)技術(shù)研發(fā)出來的典型微傳感器，隨著MEMS技術(shù)的日益發(fā)展，MEMS陀螺儀的性能指標(biāo)越來越高，其尺寸小、價格便宜的優(yōu)勢在工業(yè)、醫(yī)療以及其他消費電子產(chǎn)品的各個層面都發(fā)揮著巨大的作用。
[0004]隧道式MEMS陀螺儀采用硅微機械陀螺儀的力學(xué)模型，其結(jié)構(gòu)是一個“彈簧一質(zhì)量塊一阻尼”系統(tǒng)，根據(jù)振動力學(xué)相關(guān)理論可知，該模型具有驅(qū)動模態(tài)和敏感模態(tài)兩個振動模態(tài)，通過測量敏感模態(tài)的振動幅值，則可知轉(zhuǎn)動角速率的大小。然而，目前的電容式、磁電式、壓電式、壓阻式等MEMS陀螺儀敏感模態(tài)的振動幅值的測量精度不夠高，且以往兩個模態(tài)的頻率匹配程度不高，難以達到較高的檢測靈敏度。
[0005]因此，目前急需一種新的技術(shù)方案以克服上述缺陷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種隧道式MEMS陀螺儀，該陀螺儀提出一種全新的結(jié)構(gòu)，采用對稱多邊形質(zhì)量塊，有利于實現(xiàn)驅(qū)動模態(tài)頻率和檢測模態(tài)頻率的匹配，實現(xiàn)較高靈敏度；同時，采用兩個橫向的錐尖檢測差分隧道電流，有利于降低漂移，進一步提高了檢測靈敏度。
[0007]為達到上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案:
[0008]一種隧道式MEMS陀螺儀，包括一塊作為敏感質(zhì)量的薄板，所述薄板為正16邊形，正16邊形的每一條邊對應(yīng)I個電極，敏感質(zhì)量和16個電極都鍵合在玻璃襯底上。
[0009]進一步，所述16個電極分為4組，分別為驅(qū)動電極、調(diào)節(jié)電極、反饋電極和用于產(chǎn)生隧穿電流的錐尖電極，以檢測敏感模態(tài)的振動幅度，獲得輸入角速度信息；其中:電極Al、電極A2、電極A3、電極A4作為驅(qū)動電極，呈對稱分布；電極B1、電極B2、電極B3、電極B4、電極B5、電極B6、電極B7和電極B8作為調(diào)節(jié)電極，呈對稱分布；電極Al位于電極B8和電極BI之間，電極A2位于電極B2和電極B3之間，電極A3位于電極B4和電極B5之間，電極A4位于電極B6和電極B7之間；電極Cl和電極C2作為檢測模態(tài)的反饋電極，分別位于電極B3、電極B4和電極B5、電極B6中間。
[0010]進一步，16個電極中的電極Tl、電極T2為錐尖電極，用于產(chǎn)生隧穿電流，兩個錐尖電極分別位于電極B1、電極B2以及電極B7、電極B8之間。
[0011]進一步，所述錐尖電極Tl和錐尖電極T2設(shè)置在可動梳上。
[0012]進一步，所述可動梳包括靜齒3-1、動齒3-2、折疊梁3-3、錨點3_4 ;靜齒3_1鍵合在玻璃襯底上，動齒3-2的一端與錐尖電極相連，另一端與折疊梁3-3相連；折疊梁3-3通過錨點3-4鍵合在玻璃襯底上。
[0013]本發(fā)明的有益效果在于:提出了一種全新的結(jié)構(gòu)，采用對稱多邊形質(zhì)量塊，反饋電極和調(diào)節(jié)電極有利于實現(xiàn)驅(qū)動模態(tài)頻率和檢測模態(tài)頻率的匹配，實現(xiàn)較高靈敏度；同時，采用可動梳控制錐尖和質(zhì)量塊間的間距，采用兩個橫向的錐尖檢測差分隧道電流，有利于降低漂移，進一步提高了檢測靈敏度。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果更加清楚，本發(fā)明提供如下附圖進行說明:
[0015]圖1為本發(fā)明的主體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016]圖2為本發(fā)明正16邊型薄板及其電極的剖視圖；
[0017]圖3為本發(fā)明提供的楔形錐尖結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0018]下面將結(jié)合附圖，對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行詳細的描述。
[0019]在本發(fā)明中，將一塊正16邊形的薄板作為敏感質(zhì)量，根據(jù)振動力學(xué)的相關(guān)理論，并將該薄板近似為圓形，可以知道該薄板有兩個橢圓形振動模態(tài)，由于結(jié)構(gòu)的高度對稱性，使得它們的波腹與波節(jié)正好處于互補的位置，即第一個模態(tài)的波腹位置正好是第二個模態(tài)的波節(jié)，因此兩個模態(tài)在空間位置上相差45度，理論上振動頻率完全一致。采用靜電激勵的方法使之成為體聲波諧振器，按照其第一個模態(tài)振動，當(dāng)有垂直于硅板平面的角速度輸入時，振動能量將從第一個模態(tài)轉(zhuǎn)移到第二個模態(tài)，引起第二個模態(tài)的振動，再利用量子隧穿相應(yīng)精確的檢測第二個模態(tài)的振幅，即可獲得輸入角速度的大小。
[0020]圖1為本發(fā)明的主體結(jié)構(gòu)示意圖，如圖所示，敏感質(zhì)量為正16邊形，正16邊形的每一條邊對應(yīng)I個電極，敏感質(zhì)量和16個電極都鍵合在玻璃襯底上。
[0021]16個電極分為4組，分別為驅(qū)動電極、調(diào)節(jié)電極、反饋電極和用于產(chǎn)生隧穿電流的錐尖電極，以檢測敏感模態(tài)的振動幅度，獲得輸入角速度信息；其中:電極Al、電極A2、電極A3、電極A4作為驅(qū)動電極，處于驅(qū)動模態(tài)的波腹位置，呈對稱分布；電極B1、電極B2、電極B3、電極B4、電極B5、電極B6、電極B7和電極B8作為調(diào)節(jié)電極，利用平板電容的“負剛度效應(yīng)”調(diào)節(jié)模態(tài)振動頻率，實現(xiàn)兩個模態(tài)的頻率匹配，以達到較高的檢測靈敏度，呈對稱分布；電極Al位于電極B8和電極BI之間，電極A2位于電極B2和電極B3之間，電極A3位于電極B4和電極B5之間，電極A4位于電極B6和電極B7之間；電極Cl和電極C2作為檢測模態(tài)的反饋電極，在電路的配合作用下使陀螺的檢測模態(tài)處于力平衡狀態(tài)，以拓展其動態(tài)范圍，改善線性度，分別位于電極B3、電極B4和電極B5、電極B6中間；電極Tl、電極T2為楔形錐尖，用于產(chǎn)生隧穿電流，以檢測敏感模態(tài)的振動幅度，獲得輸入角速度信息，分別位于電極B1、電極B2以及電極B7、電極B8之間。
[0022]圖2為本發(fā)明正16邊型薄板及其電極的剖視圖，圖3為本發(fā)明提供的楔形錐尖結(jié)構(gòu)示意圖。在本實施例中，錐尖制作在可動梳上，可動梳包括靜齒3-1、動齒3-2、折疊梁3-3、錨點3-4 ;靜齒3-1鍵合在玻璃襯底上，動齒3-2的一端與錐尖電極相連，另一端與折疊梁3-3相連；折疊梁3-3通過錨點3-4鍵合在玻璃襯底上。
[0023]為了確保隧穿電流的產(chǎn)生，需要使錐尖與對應(yīng)電極(質(zhì)量塊作為另外一個電極)之間的間距小于I納米。為此，將錐尖制作在可動梳上，通過在梳齒驅(qū)動器上施加偏置電壓來控制電極間距。此處，雖然該陀螺結(jié)構(gòu)的錐尖結(jié)構(gòu)是可動的，但是錐尖結(jié)構(gòu)并沒有質(zhì)量塊，沖擊產(chǎn)生的慣性力非常微弱，因此沖擊作用對其影響十分有限，陀螺的可靠性不受影響。
[0024]最后說明的是，以上優(yōu)選實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管通過上述優(yōu)選實施例已經(jīng)對本發(fā)明進行了詳細的描述，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以在形式上和細節(jié)上對其作出各種各樣的改變，而不偏離本發(fā)明權(quán)利要求書所限定的范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種隧道式MEMS陀螺儀，其特征在于:包括一塊作為敏感質(zhì)量的薄板，所述薄板為正16邊形，正16邊形的每一條邊對應(yīng)I個電極，敏感質(zhì)量和16個電極都鍵合在玻璃襯底上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種隧道式MEMS陀螺儀，其特征在于:所述16個電極分為4組，分別為驅(qū)動電極、調(diào)節(jié)電極、反饋電極和用于產(chǎn)生隧穿電流的錐尖電極；其中:電極(Al)、電極(A2)、電極(A3)、電極(A4)作為驅(qū)動電極，呈對稱分布；電極(BI)、電極(B2)、電極(B3)、電極(B4)、電極(B5)、電極(B6)、電極(B7)和電極(B8)作為調(diào)節(jié)電極，呈對稱分布；電極(Al)位于電極(B8)和電極(BI)之間，電極(A2)位于電極(B2)和電極(B3)之間，電極(A3)位于電極(B4)和電極(B5)之間，電極(A4)位于電極(B6)和電極(B7)之間；電極(Cl)和電極(C2)作為檢測模態(tài)的反饋電極，分別位于電極(B3)、電極(B4)和電極(B5)、電極(B6)中間。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種隧道式MEMS陀螺儀，其特征在于:16個電極中的電極(Tl)、電極(T2)為錐尖電極，用于產(chǎn)生隧穿電流，兩個錐尖電極分別位于電極(BI)、電極(B2)以及電極(B7)、電極(B8)之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種隧道式MEMS陀螺儀，其特征在于:所述錐尖電極(Tl)和錐尖電極(T2)設(shè)置在可動梳上。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種隧道式MEMS陀螺儀，其特征在于:所述可動梳包括靜齒(3-1)、動齒(3-2)、折疊梁(3-3)、錨點(3-4);靜齒(3_1)鍵合在玻璃襯底上，動齒(3_2)的一端與錐尖電極相連，另一端與折疊梁(3-3)相連；折疊梁(3-3)通過錨點(3-4)鍵合在玻璃襯底上。
【文檔編號】G01C19/56GK103913159SQ201410177247
【公開日】2014年7月9日 申請日期:2014年4月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月29日
【發(fā)明者】陳李, 田穎, 溫中泉, 陳剛 申請人:重慶大學(xué)