新型微机械隧道陀螺仪的设计和工艺制备-厦门大学学报自然科学版.pdfVIP

第 48 卷 　第 4 期 ( ) Vol . 48 　No . 4 厦门大学学报 自然科学版 2009 年 7 月 J our nal of Xiamen U niver sit y (N at ural Science) J ul . 2009 新型微机械隧道陀螺仪的设计和工艺制备 李文望 , 孙道恒 , 王凌云 (厦门大学物理与机电工程学院 ,福建 厦门 36 1005) 摘要 :介绍了一种新型微机械隧道振动陀螺仪的设计和工艺制备 ,该陀螺仪采用平行梳齿驱动和面外振动框架的方式 分别作为质量块的振动和恒隧道电流的检测 ,对平行梳齿驱动的工作原理和隧道陀螺仪的设计进行了详细的阐述. 由于 采用了硅玻键合和 DR IE 的DD SO G 体硅制备工艺 ,因而可以获得较大的敏感质量块 ,从而使得该陀螺仪具有较高的灵 敏度. 根据检测模态和驱动模态匹配的原则 ,利用有限元模型对隧道陀螺仪的结构尺寸进行了优化. 仿真结果表明 ,该陀 螺仪在常压下具有 0 . 07 nm (°/ s) 的灵敏度. 关键词 :隧道效应 ;陀螺 ;DD SO G ;隧道传感器 TP 2 12 　　　　　 A 　　　　　 (2009) 中图分类号 : 文献标识码 : 文章编号 : 　　随着微机电系统的发展 ,微机械陀螺由于其所具 底结合在一起. 质量块 8 通过四根梁 5 与外框架 3 相 有的低成本 、低功耗及尺寸小等特点 ,在自动化和航空 连接 ,敏感梁 2 与基座 1 及框架 3 相连 ,支撑着整个结 领域取得了飞速的应用和发展[ 1 ] . 各种陀螺仪的设计 构. 质量块 8 在平行梳齿 4 的左右驱动下沿着 Y 方向 不断涌现[2 - 5 ] ,然而 ,这些陀螺仪的性能 ,在战术和惯 水平振动, 同时, 质量块 8 由于受到偏转电极 9 的静电 性级高精度应用领域 ,很难和光学以及传统陀螺仪相 力的作用, 带动整个框架 3 在 Z 方向上发生偏转, 使 比. 为了达到分辨率小于 0 . 1 °/ h 的惯性级微陀螺的 得框架 3 末端的隧尖 7 与其对应电极处于恒隧道电流 要求 ,微机械陀螺仪除了要求具有较高的品质因子 ,较 状态. 当在 X 方向上有角速度输入时, 质量块 8 由于 好的模态匹配及采用较大的敏感质量块外 ,必须采用 哥氏力的作用将带动外框架 3 在 Z 方向发生偏转, 从 高灵敏的检测方式来检测哥氏力产生的微小变形 , 因 而使得隧尖 7 与下电极之间的间距发生变化, 导致隧 而需要在设计和工艺制备上都要有本质的改进[ 6 - 7 ] . 道电流的变化, 通过检测隧道电流的变化就可以得出 由于隧道效应所具有的不依赖于尺寸效应的高灵敏特 角速度的大小. 性 ,许多研究小组已把该效应应用在各种传感器中 ,也 包括了隧道陀螺仪[ 8 - 12 ] . 然而 ,早期器件都采用表面 工艺制作 ,使得器件很难获得较大的质量块. 本文设计 了一种面外振动的体硅微机械隧道陀螺仪 ,该陀螺仪 具有大的振动质量块 , 由于采用框架方式 ,从而可以获 得较大的隧尖振动幅度 , 因而该陀螺仪具有较高的灵 敏度. 1 　隧道陀螺仪的设计和仿真 　图 1 　体硅隧道陀螺仪工作原理示意图 1. 1 　隧道陀螺仪的工作原理 1. 基座 ;2 . 敏感梁 ;3 . 外框架 ;4 . 固定梳齿 ;5 . 驱动梁 ; 图 1 是所设计的微