一种高灵敏度的介观压阻微陀螺的设计

罗文华,曾劲松,温廷敦

(1.郑州大学机械工程学院,郑州450001;2.中北大学理学院,太原030051)

一种高灵敏度的介观压阻微陀螺的设计

罗文华1,曾劲松1,温廷敦2

(1.郑州大学机械工程学院,郑州450001;2.中北大学理学院,太原030051)

应用介观压阻效应,研究设计了一种含直拉直压微梁结构的微机械陀螺,并利用共振隧穿薄膜作为该微机械陀螺的敏感元件以提高陀螺的灵敏度。MA TLAB软件仿真表明:当施加在 GaAs/A lAss共振隧穿薄膜上的偏置电压为0.9 V,薄膜上的应变幅值不大于0.000 575时,薄膜都工作在负阻区域,此时共振隧穿薄膜能较好地检测出微梁上的应变。仿真结果还表明,在共振隧穿薄膜负阻区域的偏压为0.78 V时,压阻效应灵敏度的数量级为4.19×10-10,比室温下硅的最大压阻灵敏度高一个数量级,达到了高灵敏度微机械陀螺设计的目的.

微机械陀螺;介观压阻效应;共振隧穿;超晶格

微机械陀螺是利用振动质量被基座带动旋转时产生的哥氏力效应来敏感角速度的一种微惯性装置[1].其关键技术主要有2个:一是微机械陀螺加工技术;二是微机械陀螺微弱信号检测技术[2].随着M EM S加工工艺的迅猛发展,微机械陀螺加工问题已基本解决,而微机械陀螺检测技术一直是制约其发展的瓶颈.因此,本文提出将介观压阻效应原理应用到微机械陀螺中,把共振隧穿薄膜作为检测元件,从而得到能耗低、灵敏度高、工作频率高、尺寸不受限制的微机械陀螺.

1 介观压阻效应微机械陀螺的结构设计

1.1 介观压阻效应

介观压阻效应是指在力学信号作用下,纳米结构的应力分布发生变化而引起内建电场产生,内建电场又导致纳米带结构中量子能级发生变化,从而使共振隧穿电流变化.因此,在共振隧穿电压附近,通过介观压阻效应,可以将一个微弱力学信号转化为一个较强的电学信号[3].

GaA s/A lA s共振隧穿薄膜就具有介观压阻效应,可以用于制作微机械陀螺的敏感部分.根据它的介观压阻效应来检测应力和隧穿电流的变化关系,测量出角速度、哥氏力、外应力.

1.2 微机械陀螺设计

本文设计的微陀螺如图1所示.它采用两层结构,上层为结构层,下层为盖板层,两层结构均由GaA s材料制作.在结构层上有直拉直压微梁结构[4]悬臂梁、微梁和一个可动质量块,微梁上通过薄膜生长形成共振隧穿薄膜.盖板层主要由驱动电极和阻尼孔组成,驱动电极和质量块间形成的一定间距是通过特殊工艺制成的.

图1 具有微梁结构的微陀螺

2 微陀螺介观压阻效应的计算机模拟

图2所示为微机械振动陀螺的基本模型.设x方向为驱动振动方向,y方向为检测振动方向.施加一定的激励使质量块沿x方向产生振动,当该系统有沿z方向旋转角速度Ω时,由于哥氏力作用,质量块就会产生沿y方向的振动.检测哥氏力的大小就能知道输入角速度Ω的大小.

图2 微机械振动陀螺原理图

共振隧穿电流是由于在 GaA s/A lA s共振隧穿薄膜[5]中发射极电子能级和超晶格量子势阱中共振能级对齐所产生的,如果对超晶格量子阱材料加上偏压Vb,量子阱的位势V(z)就会呈现出一系列倾斜的阶梯状.但由于同一结构超晶格量子阱的位势也是倾斜不等的,因此需要将位势分割成一系列的小台阶,并假定在每个小台阶内部位势近似相等,这样隧穿系数便可表达为[6]:

式中:M11为传递矩阵,与外加电场、有效质量、波矢等有关;m＊n、kn分别为电子在第n段材料内的有效质量和波矢.

由于z方向电子运动与x、y方向无关,于是隧穿电流密度J(Vb,T)的计算公式也可表达为[5]:

式中:e为电子电荷的大小;m＊为发射极电子的有效质量;kB为玻尔兹曼常数;T为绝对温度;EF为电极费米能,它与电极材料的掺杂类型和掺杂浓度有关,其值通常从发射极导带底算起;Ez为入射电子沿z方向的能量;T(Ez,Vb)为共振隧穿薄膜加偏压后量子阱体系的隧穿系数.

将薄膜有关的结构参数[5]代入式(1)和式(2),利用M atlab软件编程仿真,得出该薄膜结构在不同应变下的电流 -电压曲线,如图3所示.通过图3可以看出:当施加在GaA s/A lA s共振隧穿薄膜上的偏置电压为0.9 V,且薄膜上的应变幅值不大于0.000 575时,薄膜都工作在负阻区域,共振隧穿薄膜能较好地检测出微梁上的应变.

图3 不同应变下的电流-电压曲线

3 实验验证与分析

图4所示为实验原理框图[7],包括激光拉曼光谱仪显微测试系统、螺旋测微加压装置、I-V特性测试仪,其中的螺旋测微加压装置可从3个方向对样品施加单轴应力,以检测薄膜机电特性与施加应力方向的关系.测试实物平台如图5所示[8].

实物平台实验中将螺旋测微器加压装置放于拉曼光谱的三轴平台上,并用螺旋测微器对共振隧穿薄膜施加单轴应力,同时应用拉曼光谱仪进行应力大小标定.I-V特性测试仪测试I-V特性,其实验测试曲线如图6所示[8].

对实验得到的不同应力作用下的I-V曲线和仿真曲线(如图7所示)相比较可以看出,仿真曲线和实验曲线在数量级上是一致的,即随着应力的增大,峰值偏置电压和峰值电流均增大.峰值偏置电压增大是由于应力的不断增大使势阱宽度变窄,阱内共振能级升高,而峰值电流增大是由于在外加应力不断地增大下势垒由厚变薄导致的.仿真值和实验值存在差别的主要原因是:一是仿真计算采用的模型有一定简化;二是制作的实验样品的精度有差异.从整体上看,仿真所得到峰值电流要稍小于实验结果,但是两者在趋势上是一致的,在一定的应力(应变)条件下,隧穿电流随着偏置电压的增加先出现一个峰值,然后会有一个谷底,在幅值与谷值间出现一段负阻区;另外,随着应力(应变)的增加,共振隧穿薄膜向下、向左有一定的平移.

根据图6所示的实验曲线计算得到:在共振隧穿薄膜负阻区域的偏压为0.78 V时,压阻效应灵敏度的数量级为4.19×10-10.这一结果与室温下硅的最大压阻灵敏度(2.76×10-11)[9]相比,共振隧穿薄膜的介观压阻灵敏度比硅的最大压阻灵敏度显然高一个数量级.

图7 不同压应力作用下的I-V仿真曲线

4 结 语

应用介观压阻理论探索性地研究设计了一种GaA s基微机械陀螺,并对其进行了性能仿真和实验验证,结果表明其压阻灵敏度比硅的最大压阻灵敏度高一个数量级,利用共振隧穿薄膜的介观压阻效应能显著提高微机械陀螺的灵敏度.

[1]郭秀中.惯导系统陀螺仪理论[M].北京,国防工业出版社,1996.

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Designing of a High Sensitivity M icro-gyroscope Based on Meso-piezoresistan

LUO Wen-hua1,ZENG Jing-song1,W EN Ting-dun2
(1.Zhengzhou U niversity,Zhengzhou 450001;2.North University of China,Taiyuan 030051,China)

A high sensitivity m icro-gyroscope based on meso-piezo resistanc w as researched and designed in the paper.And the sensitivity of the micro-gyroscope is enhanced by using the resonant tunneling film as sensor.It is indicated by utilizing MA TLAB software in the article that w hen the bias voltagee on the GaA s/A lAs resonant tunneling film is 0.9 V,and the strain amp litude of the resonant tunneling film is less than 0.000575,the resonant tunneling film wo rk on the negative resistance region,the strain on the tiny beam s is detected w ell.The simulations of MA TLAB software is indicated too that w hen the bias voltagee on the GaA s/A lA s resonant tunneling film is 0.78 V,O rder of magnitude of piezo resistive effect sensitivity is 4.19×10-10and is higher one o rder of magnitude of than SI’s in the room temperature.The target is obtained that designing high sensitivity of the micro-gyroscope.

micro-gyroscope;meso-piezoresistance theory;resonant tunneling;super-lattices

V 241.5

A

10.3969/j.issn.1671-6906.2011.01.002

1671-6906(2011)01-0007-04

2011-01-07

国家自然科学基金项目(50807048)

罗文华(1976-),女,四川大英人,硕士.