[发明专利]基于纳米膜量子隧穿效应的电磁驱动陀螺仪

说明书

技术领域

本发明涉及微机械陀螺仪，具体是一种基于纳米膜量子隧穿效应的电磁驱动陀螺仪。

背景技术

微机械陀螺仪是微机械惯性仪表的重要组成部分，它主要用于测量物体相对于惯性空间转动的角速度或角位移。目前，微机械陀螺仪最常用的驱动方式为静电驱动方式，该方式是利用驱动部件之间的电压差实现的。静电驱动力的大小与驱动部件间距、驱动电压大小有关，即驱动部件间距越小、驱动电压越大，产生的静电驱动力越大。在驱动力要求很大的驱动部件中，因制作工艺条件约束，使驱动部件间距不可能无限制减小，同时微机械器件低功耗的要求使静电驱动电压不可能无限制增加。微机械陀螺最常用的检测方式为是电容检测方式，电容式陀螺仪的检测精度在于单位角速率下电容的变化量，即电容的变化面积越大，检测的精度越高。由于制作工艺条件和微小型化的要求，有效电容面积变化量已受到很大的限制。陀螺敏感头是微机械式陀螺仪的核心部件，它的灵敏度、分辨率等性能参数在本质上是由陀螺敏感头上制作的敏感检测元件决定的。由于微型化和集成化的要求，敏感元件的区域随之减小，故而使敏感元件的性能参数已达到区域所能敏感的极限状态。同时，陀螺敏感头的驱动振幅也限制了陀螺灵敏度的提高。

与此同时，新兴半导体器件-纳米膜量子隧穿器件正逐步应用于传感器领域中，其核心结构是超晶格纳米级宽带隙材料夹杂着超晶格纳米级窄带隙材料，集中体现在纳米膜量子隧穿效应上，即纳米膜量子隧穿器件在力学信号作用力下，量子化能级的势垒高度会发生变化，使纳米膜量子隧穿器件中的电子发生跃迁，形成隧穿电流，将微弱的力学信号转变成较强的电学信号。

发明内容

本发明为了解决现有微机械陀螺仪所应用的驱动方式、检测方式及与驱动、检测方式对应的结构限制了陀螺仪性能参数进一步提高的问题，提供了一种基于纳米膜量子隧穿效应的电磁驱动陀螺仪。并只以提供该器件的表头硬件结构为目的，不涉及输出信号的后续处理及相应的处理电路。

本发明是采用如下技术方案实现的：基于纳米膜量子隧穿效应的电磁驱动陀螺仪，包括载板、焊接固定于载板中心区域的陀螺管芯，且载板中心区域嵌放有永磁铁，陀螺管芯内封装有陀螺敏感机构；所述陀螺敏感机构包含支撑框体、与支撑框体下表面键合固定的玻璃基板、通过组合梁架设于支撑框体中央的质量块，所述质量块上由X轴向中心线与Y轴向中心线划分得到的四象限区域内分别开设有用于设置组合梁的置梁槽，且质量块上相邻象限内的置梁槽以相邻象限间的分界线-质量块的X轴向中心线或Y轴向中心线为对称轴对称设置；所述组合梁由单端与支撑框体垂直固定连接的检测梁、及对称设置于检测梁两侧的形驱动梁构成，形驱动梁的两端分别与检测梁的自由端、质量块连接固定，且检测梁与质量块的X轴向中心线呈垂直关系；检测梁与支撑框体的连接处设置有纳米膜量子隧穿器件；质量块上以Y轴向中心线为对称轴对称设置有两组由反馈导线与驱动导线构成的导线组，且导线组中的反馈导线与驱动导线对称设置于质量块Y轴向上正对的置梁槽两侧；支撑框体上设置有与各纳米膜量子隧穿器件、驱动导线、及反馈导线对应的引线焊盘；反馈导线与驱动导线的两端经沿形驱动梁、检测梁设置的连接导线与支撑框体上相应的引线焊盘连接；质量块上均布有阻尼孔；驱动导线、反馈导线与质量块间、引线焊盘与支撑框体间、及连接导线与形驱动梁、检测梁间分别设有绝缘层。

陀螺管芯内封装的陀螺敏感机构处于永磁铁的磁场中，在质量块上驱动导线两端施加交流偏压，依据安培力公式，质量块上的驱动导线受到交变安培力作用，使质量块随着安培力的交变频率在X轴驱动方向上线性简谐振动；当质量块敏感到绕Y轴方向有角速度输入，由于哥氏力作用，质量块将会在Z轴检测方向上产生运动；质量块的运动带动组合梁中的检测梁运动，使检测梁与支撑框体连接处(即检测梁根部)应力发生变化，使设置在检测梁与支撑框体连接处的纳米膜量子隧穿器件的电学特性因受到应力的变化而发生变化，即纳米膜量子隧穿器件因应力的变化产生量子隧穿效应，将微弱力学信号转变成较强的电学信号，通过对纳米膜量子隧穿器件电学特性的检测就可以得到Z轴方向上的角速度大小。

而纳米膜量子隧穿器件的电学特性输出一般采用惠斯通电桥方式，即把纳米膜量子隧穿器件作为压敏电阻使用，构建惠斯通电桥；在选择一定偏压下，调节惠斯通电桥臂上的滑动变阻器使电桥平衡；在应力作用下，纳米膜量子隧穿器件的电阻值发生变化而导致电桥失衡，对失衡电压(输出的差分电压)放大、滤波后就可以得到在应力作用下纳米膜量子隧穿器件的电学变化特性，进而得到输入角速度的大小。