专利名称：悬臂式微机械隧道陀螺仪的换能机构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种利用隧道效应的微机械隧道陀螺仪的信号拾取与换能机构，尤其是采用悬臂式微机械隧道陀螺仪的换能机构。
背景技术：
微陀螺是一种主要的微惯性器件(Micro-Inertial-Measurement Unit，MIMU)，也是一种典型的微机电系统(Micro-Electronic-Mechanical-System，MEMS)，是基于微电子技术和微制造技术，结合陀螺理论而发展起来的，已成为惯性陀螺的主流。从20世纪90年代开始，随着微电子技术的提高和微制造技术的发展，微机电系统的实现方式多样化，微陀螺的种类也不断增多。按驱动方式可分为静电驱动式、电磁驱动式和压电驱动式；按检测方式可分为电容检测式、压电检测式和隧道电流检测式等。当前，绝大多数硅微机械陀螺仪的敏感信号检测主要采用电容式传感器检测。随着陀螺仪的发展，当其结构尺寸极大缩小时，传统电容检测技术的灵敏度和分辨率也大大降低，另外，传感器中的误差源通常都大于所要检测的变化量，几乎淹没了有用信号，因此检测输出信号的信噪比非常低，信号检测电路和处理电路极为复杂。故寻求新的高性能位置传感器与微机械陀螺仪相结合是目前研究的方向。自1983年Binning等人使用扫描隧道显微镜(STM)在实空间观察到Si(111)的7×7结构以来，电子隧道效应给科学研究者带来了许多的便利，许多研究者开始把这一原理应用到微惯性器件中，成功地研制出微机械隧道加速度计、红外探测器及磁强计等。这些器件的研制成功及其所表现出来的优越性能表明隧道效应传感器是一种很好的位置传感器，它具有高灵敏度、高分辨率和控制电路简单等优点。因此结合隧道效应传感器的新型微陀螺仪将极大提高陀螺仪检测信号的灵敏度、分辨率和信噪比。
电子隧道效应的基本原理是指当两个电极相当接近时，在外电场的作用下，电子可以通过隧道从一个电极到达另一个电极，形成隧道电流，电流大小 其中，A=(4π/h)2m,]]>m是自由电子质量，φ为平均功函数，S为隧尖与敏感元件间的间距。在隧道传感器中，对于典型的Au-Au势垒，其势垒高度为0.5eV，当V＝1V，z＝1nm时，隧道电流为7.12nA；隧道间距减小0.1nm时，隧道电流为14.69nA，电流增大一倍。由此可知，隧道电流对间距变化具有更高的灵敏度。
目前国内外对利用隧道效应的微机械隧道陀螺仪的研制开发工作相对较少。在国外，Hughes Research Laboratories(HRL)于2000年在Sensors and Actuators发表一篇报道，作者R.L.Kubena在文中提到利用哥氏效应的陀螺仪在检测时为提高灵敏度应该精确调准使驱动和检测频率尽量相同，但由于实际的制造工艺的限制很难达到准确调准，因此R.L.Kubena和他的合作者设计一种基于隧道电流检测的新型微陀螺仪，并仅利用低温的表面工艺就完成器件裸机的制作。由于真空封装技术和维持稳定的势垒高度等问题，R.L.Kubena只是在1Torr的真空、没有温度控制状态下利用未封装裸机检测基座的噪音，得到了一些相关实验数据，并提出提高灵敏度和减少噪音干扰的方法。在此文后，未见有相关的后续报道。在国内，东南大学仪器科学与工程系于1999年在《传感器技术学报》上发表了一篇文章，提出了将微机械振动陀螺仪与电子隧道传感器相结合的设想，介绍了此类型的陀螺仪的工作原理，推导了陀螺仪的运动方程，并利用仿真论证隧道电流检测方式的灵敏度较电容检测有很大提高。随后，于2000年在《中国惯性技术学报》上发表了一篇文章，提出具体的器件结构设计方案。在梳状驱动振动式陀螺中，在振动块上制作一个针尖替代底座的平板电容来检测。但是并没有实际器件的制作报道，也没有后续的相关文章。
发明内容
本发明的目的在于提供一种灵敏度与检测精确度高，结构紧凑，具有自保护功能的悬臂式微机械隧道陀螺仪的换能机构。
本发明设有基座、悬臂梁、控制电极、驱动电极、检测电极和挡板。悬臂梁由前后不同截面的两段组成，宽截面的后段梁的一端接基座，驱动电极设于窄截面的前段梁的两侧。控制电极与检测电极设于后段梁的下方，在前段梁两侧的驱动电极中嵌入至少一对挡板，挡板与驱动电极之间无接触。
所说的挡板最好凸出驱动电极表面。
在陀螺开始工作之前，首先通过控制电极加上控制电压将悬臂梁拉下，使硅尖的间距处于产生隧道电流的工作范围，接着通过驱动电极在两侧电极加上直流偏压和相位相反的交流偏压使悬臂梁的末端沿Y方向产生振动，这时陀螺处于工作状态。当敏感到绕X方向的角速度时，由于Coriolis效应，悬臂梁将在Z方向产生振动，从而引起隧道电流变化；在检测电路得到微小电流变化同时，将这种变化趋势通过反馈控制电路在控制电极上加上反向变化的电压使隧道间距处于平衡状态，最后反向电压即反应角速度的变化。
由此可见，本发明具有如下优点
1、灵敏度大大提高。若前段梁的截面设为5μm×5μm，这使得梁的Y方向的自然频率和Z方向自然频率很接近。当采用Y方向的自然频率作为驱动频率时，在Coriolis作用下将在Z方向产生振动频率和自然频率接近的振动，引起共振，这将使得梁在Z方面的位移输出大大提高，灵敏度大大提高。
2、降低Y方向的运动耦合到Z方向的位移，提高检测的精确性。由于隧道电流对隧道距离的变化非常敏感，隧道距离变化0.1nm引起的隧道电流的变化在一个数量级以上。当对应硅尖处悬臂梁发生沿Y方向的位移时，由于表面的粗糙也会引起隧道电流的变化。若后段梁的横截面设为20μm×5μm，此设计使得梁的沿Y方向的刚度大大提高，而在Z方向保持较低的刚度。这样既不影响它的灵敏度，也克服了由于横向位移带来的误差。
3、结构紧凑，只需较低的偏置电压就可使器件进入工作状态。硅尖的高度设为1.5μm，而基底控制电极与悬臂梁的间距为2μm，所以只需下拉悬臂梁，使其在检测电极位置的向下位移为0.5μm就可进入检测状态。
4、自保护功能。挡板可防止在驱动电极上产生的瞬间高压使梁与驱动电极接触短路，造成器件损坏。
图1为本发明实施例的结构示意图。
图2为图1的俯视图。
具体实施例方式
如图1、2所示，本发明由基座1、悬臂梁2、控制电极3、驱动电极4、检测电极5和挡板6组成。悬臂梁2由前后不同截面的两段组成，宽截面的后段梁的一端接基座1，驱动电极4设于窄截面的前段梁的两侧。控制电极3与检测电极5设于后段梁的下方，在前段梁两侧的驱动电极4中嵌入3对6个挡板，挡板6与驱动电极4之间无接触。挡板6凸出驱动电极4的上表面。
以下给出实施例的具体参考尺寸。悬臂梁由前后两段不同截面的梁组成，后段梁长100μm，宽20μm，高5μm，前段梁长200μm，宽5μm，高5μm；检测电极即微尖处在距离基座95μm处梁的正下方，高1.5μm；控制电极处在后段梁正下方的基底上，由200nm厚的金构成；挡板凸出驱动电极0.5μm。
权利要求
1.悬臂式微机械隧道陀螺仪的换能机构，其特征在于设有基座、悬臂梁、控制电极、驱动电极、检测电极和挡板；悬臂梁由前后不同截面的两段组成，宽截面的后段梁的一端接基座，驱动电极设于窄截面的前段梁的两侧；控制电极与检测电极设于后段梁的下方，在前段梁两侧的驱动电极中嵌入至少一对挡板，挡板与驱动电极之间无接触。
2.如权利要求1所述的悬臂式微机械隧道陀螺仪的换能机构，其特征在于所说的挡板凸出驱动电极表面。
全文摘要
涉及一种采用悬臂式微机械隧道陀螺仪的换能机构。设有基座、悬臂梁、控制电极、驱动电极、检测电极和挡板；悬臂梁由前后不同截面的两段组成，宽截面的后段梁的一端接基座，驱动电极设于窄截面的前段梁的两侧；控制电极与检测电极设于后段梁的下方，在前段梁两侧的驱动电极中嵌入至少一对挡板，挡板与驱动电极之间无接触。灵敏度和精确度高、结构紧凑，具有自保护功能。
文档编号G01C19/5656GK1627042SQ20031012416
公开日2005年6月15日 申请日期2003年12月12日 优先权日2003年12月12日
发明者孙道恒, 王明亮, 李文望, 刘益芳, 郑剑铭 申请人:厦门大学