[發明專利]基于納米膜量子隧穿效應的電磁驅動陀螺儀

無效

• 申請號: 200910075586.7
• 申請日: 2009-09-26
• 公開（公告）號: CN101655368A
• 公開（公告）日: 2010-02-24
• 發明（設計）人: 劉俊;杜康;李孟委;石云波;王瑞榮
• 申請（專利權）人: 中北大學
• 主分類號: G01C19/56
• 分類號: G01C19/56;B81B7/02
• 代理公司: 山西太原科衛專利事務所
• 代理人: 朱 源;駱 洋

技術領域

本發明涉及微機械陀螺儀，具體是一種基于納米膜量子隧穿效應的電磁驅動陀螺儀。

背景技術

微機械陀螺儀是微機械慣性儀表的重要組成部分，它主要用于測量物體相對于慣性空間轉動的角速度或角位移。目前，微機械陀螺儀最常用的驅動方式為靜電驅動方式，該方式是利用驅動部件之間的電壓差實現的。靜電驅動力的大小與驅動部件間距、驅動電壓大小有關，即驅動部件間距越小、驅動電壓越大，產生的靜電驅動力越大。在驅動力要求很大的驅動部件中，因制作工藝條件約束，使驅動部件間距不可能無限制減小，同時微機械器件低功耗的要求使靜電驅動電壓不可能無限制增加。微機械陀螺最常用的檢測方式為是電容檢測方式，電容式陀螺儀的檢測精度在于單位角速率下電容的變化量，即電容的變化面積越大，檢測的精度越高。由于制作工藝條件和微小型化的要求，有效電容面積變化量已受到很大的限制。陀螺敏感頭是微機械式陀螺儀的核心部件，它的靈敏度、分辨率等性能參數在本質上是由陀螺敏感頭上制作的敏感檢測元件決定的。由于微型化和集成化的要求，敏感元件的區域隨之減小，故而使敏感元件的性能參數已達到區域所能敏感的極限狀態。同時，陀螺敏感頭的驅動振幅也限制了陀螺靈敏度的提高。

與此同時，新興半導體器件-納米膜量子隧穿器件正逐步應用于傳感器領域中，其核心結構是超晶格納米級寬帶隙材料夾雜著超晶格納米級窄帶隙材料，集中體現在納米膜量子隧穿效應上，即納米膜量子隧穿器件在力學信號作用力下，量子化能級的勢壘高度會發生變化，使納米膜量子隧穿器件中的電子發生躍遷，形成隧穿電流，將微弱的力學信號轉變成較強的電學信號。

發明內容

本發明為了解決現有微機械陀螺儀所應用的驅動方式、檢測方式及與驅動、檢測方式對應的結構限制了陀螺儀性能參數進一步提高的問題，提供了一種基于納米膜量子隧穿效應的電磁驅動陀螺儀。并只以提供該器件的表頭硬件結構為目的，不涉及輸出信號的后續處理及相應的處理電路。

本發明是采用如下技術方案實現的：基于納米膜量子隧穿效應的電磁驅動陀螺儀，包括載板、焊接固定于載板中心區域的陀螺管芯，且載板中心區域嵌放有永磁鐵，陀螺管芯內封裝有陀螺敏感機構；所述陀螺敏感機構包含支撐框體、與支撐框體下表面鍵合固定的玻璃基板、通過組合梁架設于支撐框體中央的質量塊，所述質量塊上由X軸向中心線與Y軸向中心線劃分得到的四象限區域內分別開設有用于設置組合梁的置梁槽，且質量塊上相鄰象限內的置梁槽以相鄰象限間的分界線-質量塊的X軸向中心線或Y軸向中心線為對稱軸對稱設置；所述組合梁由單端與支撐框體垂直固定連接的檢測梁、及對稱設置于檢測梁兩側的形驅動梁構成，形驅動梁的兩端分別與檢測梁的自由端、質量塊連接固定，且檢測梁與質量塊的X軸向中心線呈垂直關系；檢測梁與支撐框體的連接處設置有納米膜量子隧穿器件；質量塊上以Y軸向中心線為對稱軸對稱設置有兩組由反饋導線與驅動導線構成的導線組，且導線組中的反饋導線與驅動導線對稱設置于質量塊Y軸向上正對的置梁槽兩側；支撐框體上設置有與各納米膜量子隧穿器件、驅動導線、及反饋導線對應的引線焊盤；反饋導線與驅動導線的兩端經沿形驅動梁、檢測梁設置的連接導線與支撐框體上相應的引線焊盤連接；質量塊上均布有阻尼孔；驅動導線、反饋導線與質量塊間、引線焊盤與支撐框體間、及連接導線與形驅動梁、檢測梁間分別設有絕緣層。

陀螺管芯內封裝的陀螺敏感機構處于永磁鐵的磁場中，在質量塊上驅動導線兩端施加交流偏壓，依據安培力公式，質量塊上的驅動導線受到交變安培力作用，使質量塊隨著安培力的交變頻率在X軸驅動方向上線性簡諧振動；當質量塊敏感到繞Y軸方向有角速度輸入，由于哥氏力作用，質量塊將會在Z軸檢測方向上產生運動；質量塊的運動帶動組合梁中的檢測梁運動，使檢測梁與支撐框體連接處(即檢測梁根部)應力發生變化，使設置在檢測梁與支撐框體連接處的納米膜量子隧穿器件的電學特性因受到應力的變化而發生變化，即納米膜量子隧穿器件因應力的變化產生量子隧穿效應，將微弱力學信號轉變成較強的電學信號，通過對納米膜量子隧穿器件電學特性的檢測就可以得到Z軸方向上的角速度大小。

而納米膜量子隧穿器件的電學特性輸出一般采用惠斯通電橋方式，即把納米膜量子隧穿器件作為壓敏電阻使用，構建惠斯通電橋；在選擇一定偏壓下，調節惠斯通電橋臂上的滑動變阻器使電橋平衡；在應力作用下，納米膜量子隧穿器件的電阻值發生變化而導致電橋失衡，對失衡電壓(輸出的差分電壓)放大、濾波后就可以得到在應力作用下納米膜量子隧穿器件的電學變化特性，進而得到輸入角速度的大小。