一種隧道式mems陀螺儀的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種隧道式MEMS陀螺儀，屬于微機電系統【技術領域】。本發明提供的隧道式MEMS陀螺儀包括一塊正16邊形的薄板作為敏感質量鍵合在玻璃襯底上，正16邊型的每一條邊對應1個電極，16個電極分為4組，分別作為驅動電極、調節電極、反饋電極和用于產生隧穿電流的楔形錐尖，所述錐尖電極設置在可動梳上；本發明提出了一種全新的結構，采用對稱多邊形質量塊，反饋電極和調節電極有利于實現驅動模態頻率和檢測模態頻率的匹配，實現較高靈敏度；同時，采用可動梳控制錐尖和質量塊間的間距，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
【技術領域】
[0001]本發明屬于微機電系統【技術領域】,涉及一種隧道式MEMS陀螺儀。
【背景技術】
[0002]陀螺儀器最早是用于航海導航，但隨著科學技術的發展，它在航空和航天事業中也得到了廣泛的應用。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中的一個敏感元件，即作為信號傳感器。根據需要，陀螺儀器能提供準確的方位、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，而在導彈、衛星運載器或空間探測火箭等航行體的制導中，則直接利用這些信號完成航行體的姿態控制和軌道控制。作為穩定器，陀螺儀器能使列車在單軌上行駛，能減小船舶在風浪中的搖擺，能使安裝在飛機或衛星上的照相機相對地面穩定等等。因此，在越來越多的領域，陀螺儀發揮著越來越重要的作用。
[0003]微機電系統(MEMS)是對微米/納米材料進行設計、加工、制造、測量和控制的技術。它可將機械構件、光學系統、驅動部件、電控系統集成為一個整體單元的微型系統。它是通過微電子技術和微加工技術相結合的制造工藝，制造出各種性能優異、價格低廉、微型化的傳感器、執行器、驅動器和微系統。MEMS陀螺儀是應用微機電系統技術研發出來的典型微傳感器，隨著MEMS技術的日益發展，MEMS陀螺儀的性能指標越來越高，其尺寸小、價格便宜的優勢在工業、醫療以及其他消費電子產品的各個層面都發揮著巨大的作用。
[0004]隧道式MEMS陀螺儀采用硅微機械陀螺儀的力學模型，其結構是一個“彈簧一質量塊一阻尼”系統，根據振動力學相關理論可知，該模型具有驅動模態和敏感模態兩個振動模態，通過測量敏感模態的振動幅值，則可知轉動角速率的大小。然而，目前的電容式、磁電式、壓電式、壓阻式等MEMS陀螺儀敏感模態的振動幅值的測量精度不夠高，且以往兩個模態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方案以克服上述缺陷。
【發明內容】
[0006]有鑒于此，本發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構，采用對稱多邊形質量塊，有利于實現驅動模態頻率和檢測模態頻率的匹配，實現較高靈敏度；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，本發明提供如下技術方案:
[0008]一種隧道式MEMS陀螺儀，包括一塊作為敏感質量的薄板，所述薄板為正16邊形，正16邊形的每一條邊對應I個電極，敏感質量和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，分別為驅動電極、調節電極、反饋電極和用于產生隧穿電流的錐尖電極，以檢測敏感模態的振動幅度，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作為調節電極，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]本發明的有益效果在于:提出了一種全新的結構，采用對稱多邊形質量塊，反饋電極和調節電極有利于實現驅動模態頻率和檢測模態頻率的匹配，實現較高靈敏度；同時，采用可動梳控制錐尖和質量塊間的間距，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]為了使本發明的目的、技術方案和有益效果更加清楚，本發明提供如下附圖進行說明:
[0015]圖1為本發明的主體結構示意圖；
[0016]圖2為本發明正16邊型薄板及其電極的剖視圖；
[0017]圖3為本發明提供的楔形錐尖結構示意圖。
【具體實施方式】
[0018]下面將結合附圖，對本發明的優選實施例進行詳細的描述。
[0019]在本發明中，將一塊正16邊形的薄板作為敏感質量，根據振動力學的相關理論，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，由于結構的高度對稱性，使得它們的波腹與波節正好處于互補的位置，即第一個模態的波腹位置正好是第二個模態的波節，因此兩個模態在空間位置上相差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，按照其第一個模態振動，當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轉移到第二個模態，引起第二個模態的振動，再利用量子隧穿相應精確的檢測第二個模態的振幅，即可獲得輸入角速度的大小。
[0020]圖1為本發明的主體結構示意圖，如圖所示，敏感質量為正16邊形，正16邊形的每一條邊對應I個電極，敏感質量和16個電極都鍵合在玻璃襯底上。
[0021]16個電極分為4組，分別為驅動電極、調節電極、反饋電極和用于產生隧穿電流的錐尖電極，以檢測敏感模態的振動幅度，獲得輸入角速度信息；其中:電極Al、電極A2、電極A3、電極A4作為驅動電極，處于驅動模態的波腹位置，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作為調節電極，利用平板電容的“負剛度效應”調節模態振動頻率，實現兩個模態的頻率匹配，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作為檢測模態的反饋電極，在電路的配合作用下使陀螺的檢測模態處于力平衡狀態，以拓展其動態范圍，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，用于產生隧穿電流，以檢測敏感模態的振動幅度，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為本發明正16邊型薄板及其電極的剖視圖，圖3為本發明提供的楔形錐尖結構示意圖。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生，需要使錐尖與對應電極(質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，通過在梳齒驅動器上施加偏置電壓來控制電極間距。此處，雖然該陀螺結構的錐尖結構是可動的，但是錐尖結構并沒有質量塊，沖擊產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，以上優選實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，盡管通過上述優選實施例已經對本發明進行了詳細的描述，但本領域技術人員應當理解，可以在形式上和細節上對其作出各種各樣的改變，而不偏離本發明權利要求書所限定的范圍。
【權利要求】
1.一種隧道式MEMS陀螺儀，其特征在于:包括一塊作為敏感質量的薄板，所述薄板為正16邊形，正16邊形的每一條邊對應I個電極，敏感質量和16個電極都鍵合在玻璃襯底上。
2.根據權利要求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，分別為驅動電極、調節電極、反饋電極和用于產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)作為調節電極，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.根據權利要求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.根據權利要求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)設置在可動梳上。
5.根據權利要求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 優先權日:2014年4月29日
【發明者】陳李, 田穎, 溫中泉, 陳剛 申請人:重慶大學
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
