摘 要: 针对传统的角速率陀螺仪存在的缺点与不足, 根据电子隧道效应的特点, 设计了一种新型基于隧道效应的微机械陀螺仪, 运用计算机辅助软件ANSYS 对其进行了建模和仿真. 把电子隧道原理应用到微机械振动陀螺中对振动位移进行检测,结构简单, 功耗低, 抗干扰能力强, 可靠性好, 线性度高, 具有很高的灵敏度, 尤其在提高微机械振动陀螺的测量精度和灵敏度的方面显示其优势.
关键词: 微机械; 电子隧道效应; 隧道陀螺仪; 仿真分析
微机械陀螺仪的测量精度及灵敏度仍然是制约其走向实用化的重要因素. 由于陀螺仪检测角速度的特殊性, 尺寸的减小严重地降低了其工作灵敏度, 从而影响了陀螺的测量精度. 当前, 绝大多数硅微机械陀螺仪采用电容式传感器检测陀螺仪输出信号, 随着陀螺仪表结构尺寸极大缩小, 仪表的灵敏度和分辨率大大降低; 传统电容检测技术的灵敏度和分辨率也大大降低, 达到了检测的极限状态; 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. 因此, 寻求新的高性能位置传感器与硅微型陀螺仪相结合的方法是研究的方向之一[ 1] . 本文提出了利用电极间的隧道效应敏感陀螺输出位移的微小变化, 并对陀螺仪的结构原理进行了分析. 量子理论中的隧道效应现象已被广泛应用, 如扫描隧道显微镜. 微机械电子隧道式加速度计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非常好的位置传感器, 它具有高灵敏度、高分辨率和简单的控制线路等优点. 采用隧道效应传感器的新颖微机械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,该陀螺仪表的研制, 必将进一步提高微机械陀螺仪的性能.
1 结构设计
1. 1 电子隧道效应[ 2-3, 5]
粒子能穿透比其动能更高的势垒的现象, 称为隧道效应. 这是微观粒子具有波动性的表现, 对于宏观物体, 隧道效应在实际上没有任何意义, 量子概念过渡到了经典概念. 根据隧道效应可知, 金属中的电子在表面以外呈指数形式衰减, 衰减长度为1 nm .因此, 只要当检测电极和隧尖之间的距离非常接近时, 其间的势垒很小, 电子可以通过隧道效应由一个电极流向另一个电极, 形成隧道电流, 隧道电流I t的大小是电子波函数的重叠程度的量度, 与隧道电极之间的距离d 以及检测电极表面的平均势垒高度< 有关, 具体表达式为:
在标准情况下( 0. 5 eV, 1 nm) 隧道电极间距d变化0. 1 nm 时, 隧道电流I t 变化一个数量级, 由此可以看出隧道传感器的灵敏度非常高, 非常适合在微小结构中使用, 将隧道传感器引入微机械陀螺仪将能提高陀螺仪的检测灵敏度和输出信号信噪比.
1. 2 结构选择
微机械隧道效应陀螺仪的信号敏感方式采用了电子隧道效应原理, 其结构如图1 和图2 所示, 由框架、驱动梁、连接元件、检测梁、隧尖电极、活动梳齿和固定梳齿组成. 驱动梁和检测梁的轴线重合并相互垂直, 它们由方形连接元件连成一体, 检测梁固定在基座上, 基座可通过弹性支撑元件将整个敏感元件固定在传感器的外框架上, 弹性支撑元件可用高杨氏模量的材料制成, 它和基座一起可以吸收如噪声、重力、加速度和外界振动等干扰, 提高陀螺的信噪比. 这种正交梁式角速率敏感元件充分利用了驱动梁和检测梁在y 轴和z 轴方向上的刚度具有极大的差异这个特点使得驱动振动模式和敏感振动模式有各自独立的振动梁, 互不干扰.
该结构中, 检测梁与隧尖相对的平面上贴的电极作为陀螺的反馈控制电极, 驱动梁与衬底相对的平面上贴的电极作为陀螺的驱动检测电极. 驱动梁在激励模态下振动, 当沿垂直于振动方向的对称轴施加角速度, 在哥氏惯性力的作用下, 检测梁将在哥氏力方向上振动, 导致检测电极板与隧尖电极板之间的距离发生变化, 从而产生隧道电流, 通过测试检测电极与隧尖电极之间的电流变化量就可以判定被测角速度的大小, 隧道陀螺仪的处理电路框图如图3 所示.
2 结构分析
2. 1 工作原理
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下拉到与隧尖的间距能够产生隧道电流的工作范围的位置, 并在隧尖处产生隧道电流, 接着通过在驱动电极两侧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 方向有输入角速度8 时, 由于哥氏力作用, 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的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相变化的电压, 使隧道间距处于平衡状态, 最后反相电压即反映角速度8 的变化.
2. 2 静电驱动力计算
在梳齿上施加驱动电压:
驱动力在隧道陀螺仪的工作过程中是一个变化量, 该静电力作用在驱动梁上, 使驱动梁产生沿Y方向的等幅振动, 其力学运动方程为:
其中, m 为梁的质量; D1 为阻尼系数; k1 为弹簧刚度. 当敏感元件平面内X 轴方向上有输入加速度时, 哥氏力作用于检测梁, 使得检测检测梁沿Z 轴方向上下振动, 隧道传感器敏感到敏感元件微小位移的变化后输出电流, 该电流经信号处理电路处理后得到正比于输入角速度的电信号.
2. 3 哥氏力的计算
设驱动梁部分连同敏感元件的质量为m, 驱动梁沿Y 轴方向运动的弹性系数为k y , 阻尼系数为Dy , 则陀螺的驱动方程为
3 仿真分析
3. 1 应力分析
根据微机械陀螺仪的工作原理和电子隧道效应的特性, 起始状态下, 隧尖与对应电极之间的距离远大于1 nm, 没有隧道电流产生, 电子隧道效应只能在隧道电极之间的间距为1 nm 左右才发生, 而且,对极距的变化极其敏感, 因此要求设计最佳的隧道电极之间的距离, 一般隧尖与检测电极之间的最大值控制在4~ 5 nm 之间.
通过对梁的静态应力仿真分析, 可以得出粱在自然状态在受到重力影响而发生的自然形变, 如图5 和图6 所示.
3. 2 模态分析
所设计的隧道陀螺仪是高精度低量程的微机械陀螺仪, 而陀螺仪的驱动模态和检测模态固有频率之差对陀螺仪的检测灵敏度有很大影响, 这就要求陀螺驱动模态的固有频率与敏感模态的固有频率匹配, 两个模态的固有频率相差越小越好. 针对设计的结构尺寸, 采用ANSYS 有限元分析软件进行结构的模态分析, 梁的结构参数和各阶的固有频率如表1 所示.
一阶模态为陀螺仪的检测模态, 二阶模态为陀螺仪的驱动模态. 随着检测梁厚度的增加, 检测频率与驱动频率的频差逐渐减小, 横向效应也会逐渐减小, 再通过调节驱动梳齿的个数, 选择第5 组的参数进行分析. 通过对陀螺仪的结构进行了五阶模态分析可知, 其他模态的频率是驱动模态和检测模态的几倍, 从而有效的抑制了交叉耦合, 其中一阶和二阶振型如图7、图8 所示.
4 结 论
该隧道效应陀螺采用新型的正交梁式结构, 结构简单, 没有大量的质量集中, 通过ANSYS 仿真分析可知, 利用电子隧道效应作为微机械陀螺的敏感方式, 大大提高了微机械陀螺仪的灵敏度, 并且能在抗外部加速度或振动上有较高的性能.
参考文献:
[ 1] 苏岩, 杨拥军, 王寿荣, 周百令. 微机械电子隧穿陀螺仪研究初步研究[ J] . 传感技术学报, 1999, 12( 4) : 223-228.
[ 2] 李文望, 孙道恒. 悬臂梁式微机械隧道陀螺的结构设计与性能分析[ J] . 传感技术, 2005, 24( 2) : 48-50.
[ 3] 孙道恒. 一种微机械隧道陀螺仪原型方案初探[ J] . 微纳米科学与技术, 2000, 5( 1) : 106-108.
[ 4] 吕文龙, 陈义华, 孙道恒. 微电俦及其在MEMS 中的应用[ J ] .厦门大学学报, 2005 年, 第44 卷: 316- 318.
[ 5] 陈德英, 茅盘松等. 扭摆式硅微隧道角速度传感器[ J ] . 电子器件, 24( 4) : 285-294.
[ 6] 薛伟, 王晶, 崔天宏. 基于MEMS 微加工技术的高灵敏度隧道传感器的研究[ J] . 光学精密工程, 12( 5) : 491-503.
[ 7] Kubena R L, Vicker s-Kirb y D J , J oyce R J, St rat t on F P,Chang D T. A New T unneling- Based S ens or f or Inertial Rot ation Rat e M easurement s [ J] . S ens ors and Actuat ors, 2000, 83:109-117.
[ 8] WAL T MAN S B, KAISER W J. An E lect ron T unneling Sensor[J] . S ens or s and Actuat or s, 1989, 19: 2012210.
