王瑞榮,杜 康,石云波,劉 俊

(中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030051)

陀螺是一種測(cè)量物體相對(duì)于慣性空間角度或者角速度的傳感器裝置[1-2],具有體積小、重量輕、可靠性高的特點(diǎn)[3],廣泛應(yīng)用于慣性導(dǎo)航領(lǐng)域及軍用民用領(lǐng)域[4]。當(dāng)前,絕大多數(shù)陀螺儀采用電容式傳感器檢測(cè)陀螺儀輸出信號(hào),隨著陀螺儀表結(jié)構(gòu)尺寸的減小,其靈敏度和分辨率也大大降低。因此,尋求新的高性能位置傳感器與微機(jī)械陀螺儀相結(jié)合的方法是研究方向之一[5]。共振隧穿二極管(RTD)是當(dāng)前納米電子學(xué)中最有應(yīng)用希望的器件之一[6],它是一種基于共振隧穿薄膜隧穿效應(yīng)的負(fù)阻型器件,具有體積小、重量輕、可靠性高、低壓低功耗等優(yōu)點(diǎn)[7-8]。介觀壓阻理論表明[9-11],共振隧穿薄膜在力學(xué)信號(hào)的作用下,其隧穿電流會(huì)發(fā)生變化。即當(dāng)外加一個(gè)力學(xué)信號(hào)時(shí),會(huì)引起 RTD的 I-V特性曲線的變化,I-V曲線的變化又會(huì)引起基于 RTD振蕩器的輸出頻率變化。所以共振隧穿二極管可用于力學(xué)信號(hào)的檢測(cè)。本文根據(jù)共振隧穿二極管的壓阻效應(yīng)和陀螺的哥氏效應(yīng)設(shè)計(jì)出一種新型的 GaAs基電磁驅(qū)動(dòng)微機(jī)械陀螺儀結(jié)構(gòu)并進(jìn)行了加工。并對(duì)陀螺驅(qū)動(dòng)方向和檢測(cè)方向的特性進(jìn)行了測(cè)試。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作原理

陀螺的結(jié)構(gòu)如圖 1所示,主要由驅(qū)動(dòng)梁、檢測(cè)梁、連接塊、外框、質(zhì)量塊、驅(qū)動(dòng)導(dǎo)線、檢測(cè)導(dǎo)線、阻尼孔等組成。梁采用回折型結(jié)構(gòu),可以降低陀螺驅(qū)動(dòng)方向和檢測(cè)方向的機(jī)械耦合,并減少電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。質(zhì)量塊上均布有阻尼孔[12],有利于減小阻尼,提高陀螺檢測(cè)方向的品質(zhì)因子。

圖1 陀螺結(jié)構(gòu)

工作原理：把陀螺放置于勻強(qiáng)磁場(chǎng)中,當(dāng)給驅(qū)動(dòng)導(dǎo)線施加一交變電流時(shí)會(huì)產(chǎn)生洛倫茲力,此時(shí)質(zhì)量塊在洛倫茲力的作用下沿 X軸(驅(qū)動(dòng)軸)做往復(fù)運(yùn)動(dòng),當(dāng)在 Y軸方向輸入一角速度時(shí),質(zhì)量塊在哥氏力作用下沿 Z軸(檢測(cè)軸)運(yùn)動(dòng),回折型正交梁由于質(zhì)量塊的運(yùn)動(dòng)而發(fā)生形變,并使根部的應(yīng)力發(fā)生變化,制作在檢測(cè)梁根部的 RTD在應(yīng)變的作用下輸出I-V特性發(fā)生變化,通過測(cè)量 RTD電學(xué)特性的變化就可得到輸入角速度的大小。

2 加工與封裝

結(jié)合現(xiàn)有的工藝水平,并與相關(guān)加工單位進(jìn)行探討,最終確定了陀螺結(jié)構(gòu)的加工方案,包括 RTD的加工和陀螺結(jié)構(gòu)的加工。其中 RTD采用表面加工工藝,陀螺結(jié)構(gòu)采用體加工工藝。

經(jīng)過發(fā)射極臺(tái)面光刻、電極金屬化光刻、發(fā)射/集電極臺(tái)面光刻、SiN淀積、橋墩光刻、橋面光刻和橋面電鍍等步驟就可以實(shí)現(xiàn) RTD的加工。加工RTD完成后,對(duì)其進(jìn)行一定的保護(hù)處理后開始陀螺結(jié)構(gòu)的加工。利用感應(yīng)耦合離子(ICP)正面刻蝕GaAs襯底用于形成正面結(jié)構(gòu),刻蝕深度為檢測(cè)梁的厚度;對(duì) GaAs襯底進(jìn)行背部粘片減薄到所需要的厚度(60μm),背面進(jìn)行第一次 ICP刻蝕形成敏感質(zhì)量塊的運(yùn)動(dòng)位移,接著背面第二次 ICP刻蝕貫穿襯底形成并釋放陀螺結(jié)構(gòu)。圖 2為 RTD及雙空氣橋結(jié)構(gòu)。圖 3為加工完成后的陀螺回折型正交梁及質(zhì)量塊結(jié)構(gòu),封裝完成后的陀螺結(jié)構(gòu)如圖 4所示。

圖2 RTD結(jié)構(gòu)及雙空氣橋結(jié)構(gòu)

圖3 回折型正交梁及質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)

圖4 封裝后的陀螺結(jié)構(gòu)

3 測(cè)試

對(duì)加工完成的陀螺進(jìn)行了性能測(cè)試,包括陀螺驅(qū)動(dòng)方向和檢測(cè)方向的測(cè)試,其中驅(qū)動(dòng)方向測(cè)試是為了得到陀螺固有頻率的范圍,檢測(cè)方向主要是對(duì)陀螺的靈敏度進(jìn)行測(cè)試。

3.1 驅(qū)動(dòng)方向特性測(cè)試

微機(jī)械陀螺能否成功驅(qū)動(dòng)是哥氏效應(yīng)信號(hào)的檢測(cè)基礎(chǔ)。通過振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了陀螺在外加電壓時(shí)產(chǎn)生振動(dòng),結(jié)合仿真結(jié)果得到陀螺固有頻率的范圍。

將固定在振動(dòng)臺(tái)上的待測(cè)陀螺沿驅(qū)動(dòng)方向按正弦波信號(hào)振動(dòng),當(dāng)振動(dòng)臺(tái)頻率與待測(cè)陀螺驅(qū)動(dòng)方向固有頻率接近時(shí),敏感質(zhì)量塊將發(fā)生共振,質(zhì)量塊上的反饋導(dǎo)線切割磁感線產(chǎn)生動(dòng)生電動(dòng)勢(shì),根據(jù)反饋電動(dòng)勢(shì)的幅值就可得到待測(cè)陀螺驅(qū)動(dòng)方向的固有頻率。圖 5是振動(dòng)臺(tái)原理框圖,圖 6是測(cè)得的驅(qū)動(dòng)方向?qū)嶒?yàn)數(shù)據(jù)。

圖5 振動(dòng)臺(tái)原理圖

圖6 驅(qū)動(dòng)方向?qū)嶒?yàn)數(shù)據(jù)

由圖 6可知,待測(cè)微機(jī)械陀螺在不同頻率情況下,驅(qū)動(dòng)方向上的輸出幅值發(fā)生明顯變化。由于所使用的振動(dòng)臺(tái)的最高頻率為 4 kHz,未能對(duì)待測(cè)陀螺在較大的頻帶范圍內(nèi)掃頻,因此沒有得到驅(qū)動(dòng)方向的固有頻率和驅(qū)動(dòng)方向上的品質(zhì)因數(shù)。但由上圖可初步得知,加工后的微機(jī)械陀螺驅(qū)動(dòng)方向的固有頻率大于 4 kHz,大于設(shè)計(jì)值 3.5 kHz。

3.2 檢測(cè)方向特性測(cè)試

檢測(cè)方向主要是對(duì)陀螺的靈敏度進(jìn)行測(cè)試。該實(shí)驗(yàn)本質(zhì)為機(jī)械激勵(lì)—介觀壓阻檢測(cè)方式,其原理為在待測(cè)陀螺的檢測(cè)方向上加載正弦振動(dòng)信號(hào),在不同的振動(dòng) g值作用下,制作在檢測(cè)梁根部的 RTD的介觀電阻會(huì)發(fā)生變化,根據(jù) RTD電學(xué)特性的變化,可得到 RTD的介觀壓阻靈敏度,其原理框圖如圖 7所示。待測(cè)陀螺現(xiàn)場(chǎng)照片如圖 8所示。以下測(cè)試時(shí) RTD兩端的偏置電壓為 4.127 5 V,RTD工作在負(fù)阻區(qū)。該微機(jī)械陀螺在 1 kHz測(cè)試結(jié)果如圖 9所示,在 4 kHz測(cè)試結(jié)果如圖 10所示。

圖7 檢測(cè)方向原理圖

圖8 振動(dòng)臺(tái)與待測(cè)陀螺安裝圖

從圖 9與圖 10中可以看出,待測(cè)陀螺在 1 kHz時(shí)的測(cè)試靈敏度為 7.51mV/gn,在 4 kHz時(shí)的測(cè)試靈敏度為 100.74mV/gn。測(cè)試靈敏度對(duì)比可知,接近共振頻率時(shí),待測(cè)陀螺檢測(cè)方向上的響應(yīng)越明顯,輸出的靈敏度越大,因此可推斷在共振頻率處檢測(cè)方向上的輸出的靈敏度最大。

圖9 1 kHz時(shí)檢測(cè)方向測(cè)試結(jié)果

圖10 4 kHz時(shí)檢測(cè)方向測(cè)試結(jié)果

4 總結(jié)

本文將共振隧穿二極管具有的壓阻效應(yīng)與哥氏效應(yīng)相結(jié)合應(yīng)用到陀螺中,并設(shè)計(jì)出了一種新型結(jié)構(gòu)。通過對(duì)加工后的陀螺進(jìn)行驅(qū)動(dòng)方向和檢測(cè)方向的測(cè)試,初步得到陀螺固有頻率的范圍,在 4 kHz,20 gn情況下,陀螺的測(cè)試靈敏度為 100.74mV/gn。

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