基于砷化鎵的介觀壓阻效應(yīng)微機(jī)械陀螺研究.pdf

1、陀螺是慣性導(dǎo)航和制導(dǎo)的核心器件之一，決定著武器的精確打擊能力，而高靈敏度陀螺是國(guó)外禁運(yùn)技術(shù)，因此發(fā)展陀螺技術(shù)是國(guó)防建設(shè)的需要。微機(jī)械陀螺以體積小、成本低、搞過載能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，成為世界各國(guó)研究的熱點(diǎn)。本文就此提出了一種壓阻系數(shù)比硅高的新型介觀壓阻效應(yīng)微機(jī)械陀螺，對(duì)其敏感機(jī)理、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造工藝、性能測(cè)試等方面開展了研究。
　　介觀壓阻效應(yīng)的敏感機(jī)理是：在力學(xué)信號(hào)作用下，多層納米膜結(jié)構(gòu)中的應(yīng)變發(fā)生變化；一定條件下應(yīng)變可引起結(jié)構(gòu)內(nèi)建電場(chǎng)

2、的產(chǎn)生；內(nèi)建電場(chǎng)將導(dǎo)致納米帶結(jié)構(gòu)中量子能級(jí)發(fā)生變化；量子能級(jí)變化會(huì)引起共振隧穿電流變化。簡(jiǎn)言之，在能發(fā)生共振隧穿效應(yīng)的條件下，通過上述四個(gè)物理過程，可將一個(gè)微弱力學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)化為一個(gè)較強(qiáng)的電學(xué)信號(hào)。
　　本文所研究的微機(jī)械陀螺采用電磁驅(qū)動(dòng)的方式，驅(qū)動(dòng)力易控，幅值穩(wěn)定，驅(qū)動(dòng)模態(tài)設(shè)計(jì)為滑膜阻尼，檢測(cè)模態(tài)設(shè)計(jì)為壓膜阻尼，當(dāng)質(zhì)量塊運(yùn)動(dòng)間隙為15μm時(shí)，驅(qū)動(dòng)模態(tài)品質(zhì)因子為4591，檢測(cè)模態(tài)品質(zhì)因子為167。仿真分析了驅(qū)動(dòng)模態(tài)和檢測(cè)模態(tài)的固有頻率

3、分別為3530Hz和3671Hz，微機(jī)械陀螺工作帶寬為76 Hz，驅(qū)動(dòng)X方向抗沖擊能力為24579g，檢測(cè)Z方向抗沖擊能力為7974g。結(jié)構(gòu)位移靈敏度設(shè)計(jì)為5.21×10-8m/°/s，結(jié)構(gòu)應(yīng)力靈敏度為2.52×10-2Mpa/°/s，量程為±288°/s，熱噪聲為0.3665//h Hz°。
　　研究了納米膜壓敏結(jié)構(gòu)與微機(jī)械陀螺結(jié)構(gòu)制造耦合工藝，利用開發(fā)的空氣橋、歐姆接觸、控制孔、腐蝕自停止等關(guān)鍵工藝在內(nèi)的MEMS加工工藝，實(shí)現(xiàn)

4、了MEMS制造工藝與多層納米薄膜制作工藝的結(jié)合，成功制作了介觀壓阻效應(yīng)微機(jī)械陀螺。
　　研究了介觀壓阻效應(yīng)微機(jī)械陀螺電磁驅(qū)動(dòng)電路和Goriolis力微弱信號(hào)檢測(cè)電路關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)計(jì)了開環(huán)驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)反饋檢測(cè)電路、介觀壓阻電橋檢測(cè)電路、可調(diào)穩(wěn)壓電源電路、解調(diào)電路、濾波電路等，實(shí)現(xiàn)了微機(jī)械陀螺的驅(qū)動(dòng)和微弱信號(hào)的檢測(cè)。
　　搭建了實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)微機(jī)械陀螺的性能進(jìn)行了測(cè)試。在大氣壓下，微機(jī)械陀螺的驅(qū)動(dòng)模態(tài)諧振頻率為4060Hz，品

5、質(zhì)因子為815，驅(qū)動(dòng)模態(tài)諧振頻率為4040Hz，品質(zhì)因子為175。理論計(jì)算微機(jī)械陀螺負(fù)阻區(qū)靈敏度為19.8mV/°/s，正阻區(qū)靈敏度為52.8μV/°/s，實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果顯示檢測(cè)靈敏度為9.35μV/°/s，微機(jī)械陀螺工作在正阻區(qū)而非所期望的負(fù)阻區(qū)，輸入角速度在［-500°/s，+500°/s］范圍內(nèi)，線性系數(shù)為0.99。
　　分析和測(cè)試結(jié)果表明，微機(jī)械陀螺因偏壓漂移而工作在正阻區(qū)，靈敏度較低，但原理上實(shí)現(xiàn)了角速度的檢測(cè)；證明了電磁