静电驱动压阻检测微机械陀螺仪的研究

1、静电驱动压阻检测微机械陀螺仪的研究2010年第24卷第4期(总第82期)测试技术学报JOURNALOFTESTANDMEASUREMENTTECHNOLOGYVo1.24No.42010(SumNO.82)文章编号:16717449(2O1O)O4033405静电驱动压阻检测微机械陀螺仪的研究王瑞荣,杜康,石云波h,刘(1.中北大学电子测试技术国家重点实验室,山西俊,太原030051;2.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室,山西太原030051)摘要:对静电驱动压阻检测微机械陀螺仪进行了结构设计并对工作原理进行了介绍.与硅压阻器件相比,本文利用多势垒纳米膜所具有的压阻效应作为检测方式,

2、实现了较高的压阻灵敏度;采用硅基异质外延砷化镓薄膜工艺进行陀螺结构以及多势垒纳米膜器件的加工,较好地实现了工艺的兼容.通过对结构进行模态仿真,确定了陀螺的固有频率.关键词:静电驱动;压阻检测;结构设计;微机械陀螺;加工工艺中图分类号:TP212.12文献标识码:Adoi:10.3969/j.issn.16717449.2010.04.01lResearchonMicromachinedGyroscopewithElectrostaticDriveandPiez0resistiveDetectionWANGRuirong,DUKang,SHIYunbo,LIUJun(1.NationalKeyL

3、abforElectronicMeasurementandTechnology,NorthUniversityofChina,Taiyuan030051,China;2.KeyLaboratoryofInstrumentationScience&DynamicMeasurement(MinistryofEducation),NorthUniversityofChina,Taiyuan030051,China)Abstract:Thestructuredesignandworkingprincipleofthemicromachinedgyroscopebasedonbothth

4、eelectrostaticdriveandthepiezoresistivedetectionwereintroduced.Comparingwiththetraditionallyusedsiliconpiezoresistivedevices,themultibarriernanofilmshowedahigherpiezoresistivesensitivity.Processcompatibilitywasimplementedbyfabricatingthegyroscopestructureandmultibarriernano.filmwithheteroepitaxyGaAs

5、filmonSisubstrate.ThenaturalfrequenciesofgyroscopewerecalculatedbymodalanalysisofFEM.Keywords:electrostaticdrive;piezoresistivedetection;structuredesign;micromachinedgyroscope;fabricationprocess0引微机械陀螺仪是一种重要的惯性传感器,用于测量运动物体的姿态或转动角速度,具有体积小,重收稿日期:基金项目:作者简介:通倍作者:20100601国家自然科学基金资助项目(50675212)王瑞荣(1985一),

6、女,硕士生,主要从事MEMS惯性器件的设计,制造与测试研究石云波(1972一).男,副教授,硕士,主要从事惯性器件研究.言目(总第82期)静电驱动压阻检测微机械陀螺仪的研究(王瑞荣等)335量轻,可靠性好,易于集成等优点,由于这些优点使其在军用以及民用等领域具有广泛的应用前景.目前微机械陀螺仪有一些产品面世并商业化,但仍然存在着精度不高,稳定性差和可靠性不高等缺点,因此对新型微机械陀螺的研究和探讨是非常必要的.本文提出了一种采用静电梳齿驱动微机械陀螺仪,利用多势垒纳米膜隧穿效应器件所具有的压阻效应作为检测方式.静电梳齿驱动具有驱动力大,品质因子高等优点4;多势垒纳米膜隧穿效应器件也称之为共振隧

7、穿二极管(RTD)具有高灵敏度的特点,它是一种双端负阻超晶格量子阱器件_5,其核心结构是纳米级宽带隙材料中夹着纳米级窄带隙材料.它所具有的压阻效应可以通过4个物理过程来实现.原理上讲,在力学信号作用下,纳米结构中的应力分布将发生变化;一定条件下应力变化可引起内建电场的产生;内建电场将导致纳米带结构中量子能级发生变化;量子能级变化会引起共振隧穿电流变化J.简言之,在共振隧穿电压附近,通过上述4个物理过程,可将一个微弱力学信号转化为一个较强的电学信号.通过分子束异质外延技术在Si衬底上制备GaAs单晶薄膜.同时在该单晶薄膜上外延多层纳米薄膜结构,利用该薄膜结构加工多势垒纳米膜隧穿效应器件_10_;

8、采用MEMS微加工技术在Si衬底上制作陀螺仪的结构,实现GaAs单晶薄膜工艺和Si基微机械加工工艺的集成.1静电驱动压阻检测陀螺仪结构设计及工作原理静电驱动压阻检测微机械陀螺仪结构如图1所示.它主要由检测梁,驱动梁,固定梳齿,活动梳齿,质量块,阻尼孔,多势垒纳米膜隧穿器件组成,其中多势垒纳米膜隧穿器件放置于检测梁的根部.当在x方向给陀螺施加静电驱动力时,质量块会产生沿驱动轴方向(x方向)的往复运动,此时,若有y轴方向的角速度输入,在哥氏效应的作用下敏感质量块将在z轴方向上产生位移;质量块的运动使检测梁弯曲变形使其根部应力变大,制作在应力敏感区域的多势垒纳米隧穿膜器件在应变的作用下将力学信号转变

9、成电学信号,简言之,通过敏感器件多势垒纳米膜隧穿器件可将角速度信号转化成电学信号,对该电学信号的检测就可求得角速度的大小.该陀螺结构的设计具有以下几个优点:1)采用多势垒纳米膜隧穿器件所具有的压阻效应作为检测方式,具有较高压阻灵敏度,在同样哥氏力的作用下,同硅压阻器件相比可最大程度上的实现哥氏加速度的检测;圈1陀螺结构示意图Fig.1Theimageofgyroscopestructure2)多势垒纳米膜器件采用Si基异质外延GaAs薄膜工艺制成,陀螺结构采用Si衬底制成,Si材料的优异材料属性可提高陀螺结构的固有性能,同时可较好地实现工艺的兼容.2结构仿真利用ANSYS仿真软件对所设计的结构

10、进行模态以及静态分析.2.1模态仿真图2为陀螺前4阶振型图,从图中可以看出,1阶振型为陀螺的驱动模态,振动频率为3117.9Hz,2阶振型为陀螺的检测模态,振动频率为3281.8Hz,陀螺驱动模态,检测模态的谐振频率之差为163.9Hz.前两阶模态谐振频率与后面几阶模态的频率相差较远,非常有效地降低了交叉耦合对陀螺的336测试技术学报2010年第4期影响,并且可以使陀螺稳定工作.表1为陀螺的各阶固有频率.2.2静态仿真(a)1阶频率图(b)2阶频率图图2陀螺模态仿真图Fig.2Themodeshapesofgyroscope静电驱动压阻检测陀螺的敏感元件是多势垒纳米膜器件,该器件对检测梁上应力

11、的变化比较敏感.通过静态分析得到了检测梁上应力敏感区域以及质量块在哥氏加速度作用下的位移值.静态应力仿真图以及位移仿真图如图3所示.(a)静态位移仿真图(d)4阶频率图表1陀螺各阶固有频率Tab.1Thenaturalfrequenciesofgyroscope阶数第1阶第2阶第3阶第4阶固有频率/Hz3117.93281.84658.54836.9(b)静态应力仿真图图3陀螺静态仿真图Fig.3Thestaticshapesofgyroscope静态仿真分析加载的载荷为10GNm/s(Z轴),从图3(b)中可知,应力最大的区域在检测梁的根部,最大应力值为3.006MPa(远小于si材料的断裂

12、强度值7.3GPa);图3(a)所示运动的最大位移值为0.231p.m,要使该陀螺具有10GNm/s.冲击过载能力,在结构设计时的最大位移间隙应大于0.231btm.(总第82期)静电驱动压阻检测微机械陀螺仪的研究(王瑞荣等)3373工艺设计结合现在的加工工艺水平,对静电驱动压阻检测微机械陀螺仪的加工进行了设计.工艺主要包括多势垒纳米膜器件与陀螺结构的加工,表2是多势垒纳米膜的结构层.表2多势垒纳米膜结构层Tab.2Thestructureofdoublebarriernanofilm材料掺杂浓度厚/nm发射极欧姆接触层N+一GaAs3×101scm一35OO发射极N十一GaAS10

13、17cm一31OGaAs非掺杂5垒前阱ln01Gao9As非掺杂5GaAS非掺杂O.5共振垒AlAs非掺杂1.7隧穿双势GaAs非掺杂O.5薄膜垒薄阱ln0.1Gao9As非掺杂4结构膜层GaAs非掺杂0.5垒AlAs非掺杂1.7GaAS非掺杂0.5垒前阱lno1Ga09As非掺杂5GflAs非掺杂5集电极N+一GaAs1017cm一310集电极欧姆接触层N+一GaAs3×1018cm31000GaAs2mSi基底多势垒纳米膜隧穿器件的加工工艺流程如图4所示.首先,在Si衬底上异质外延GaAs薄膜层;通过MBE方式在GaAs薄膜上外延超晶格纳米膜材料;其次,光刻并RIE刻蚀发射极台面

14、;刻蚀集电极台面并在台面上制作欧姆接触;最后,淀积si.N薄膜隔离发射,集电电极;采用牺牲层工艺制作双空气桥结构.=Si:=了一Gs薄膜I衬底l(a)GaAs薄膜(a)Co)匿兰竺銎遮鹜羹囊曩国签鹜露鍪!=霹飘一LjI曼封Ito)欧姆接触F=旦口&奠一一一一Sil衬底l竺!=I盟I(d)(e)自日日目目目日自lsi衬底ll厂juuuuuuLl(t)一(e)图4多势垒纳米膜器件加工流程图图5陀螺结构加工工艺流程F.嚷.4TheprocessofdoublebarrierllanofilmdeviceFig.5Theprocessofgyroscope陀螺结构的加工流程如图5所示,

15、加工工艺流程为:RTD加工完成后进行一定的保护处理;陀螺结构正面刻蚀形成控制孔和正面结构,控制孔刻蚀深度用于准确的定义检测梁的厚度;减薄si基衬338测试技术学报2010年第4期底到陀螺结构所需的厚度;背面第一次ICP用于形成敏感质量块的运动位移;背面第二次ICP刻蚀用于形成陀螺结构和释放整体结构.经过上述工艺就可以加工得到陀螺结构.4结束语本文将陀螺的哥氏效应与多势垒纳米膜所具有的压阻效应结合,设计了一种新型的静电驱动压阻检测微机械陀螺仪.与硅压阻器件相比,本文利用多势垒纳米膜所具有的压阻效应作为检测方式,实现了较高的压阻灵敏度.通过ANSYS软件对设计的结构进行了模态仿真和静态仿真,并得到

16、陀螺的各阶固有频率.并结合现有的工艺水平,对陀螺的加工进行了工艺设计.参考文献:E1陈伟平,陈宏,郭玉刚,等.一种全对称微机械陀螺的双极解耦结构特性J.纳米技术与机械工程,2009,7(3):239244.ChenWeiping,ChenHong,GuoYugang,eta1.DoublydecouplingmechanismofafullysymmetricalmicromachinedgyroscopeJ.NanotechnologyandPrecisionEngineering,2009,7(3):239244.(inChinese)2茅盘松,王修伦.硅微机械振动陀螺的静电驱动J.传感器

17、技术,1996(1):11-14.MaoPansong,WangXiulun.ElectrostaticdriventechnologysiliconmicromechanicalvibratinggyroscopeJ3.JournalofTransducerTechnology,1996(1):1114.(inChinese)3蒋玉燕.静电驱动压电检测微机械陀螺仪的力学分析D.广州:暨南大学,2008.4陈永,焦继伟,熊斌,等.一种基于滑膜阻尼效应的新型微机械陀螺J.中国机械工程,2004,15(2):103105.CbenYong,JiaoJiwei,XiongBin,eta1.Anove

18、lmicromachinedgyroscopebasedonslidefilmdampingeffectsJ.ChinaMechanicalEngineer,2004,15(2):103105.(inChinese)5PithchardR,KlipsteinPC,CouchNR,eta1.HighpressurestudiesofresonanttunnelinginagradedparametersuperlatticeandindoublebarrierstructuresofGaAs/AIAs,SemieondJ.Sci.Technol,1989,4(9):475.6XiongJijun,MaoHaiyang,ZhangWendong,WangKaiqun.AnovelmicroaccelerometerwithadjustablesensitivitybasedonresonanttunnellingdiodesJ.Chin.Phys,2009,18(3):12421247.7温廷敦,张文栋.介观压阻效应J.微纳电子技术,2003(7-8):4143.WenTingdun,ZhangWendong.MesopiezoresistanceeffectJ.Micronanoel