一種高靈敏度的介觀壓阻微陀螺的設計

羅文華,曾勁松,溫廷敦

(1.鄭州大學機械工程學院,鄭州450001;2.中北大學理學院,太原030051)

一種高靈敏度的介觀壓阻微陀螺的設計

羅文華1,曾勁松1,溫廷敦2

(1.鄭州大學機械工程學院,鄭州450001;2.中北大學理學院,太原030051)

應用介觀壓阻效應,研究設計了一種含直拉直壓微梁結構的微機械陀螺,并利用共振隧穿薄膜作為該微機械陀螺的敏感元件以提高陀螺的靈敏度。MA TLAB軟件仿真表明:當施加在 GaAs/A lAss共振隧穿薄膜上的偏置電壓為0.9 V,薄膜上的應變幅值不大于0.000 575時,薄膜都工作在負阻區域,此時共振隧穿薄膜能較好地檢測出微梁上的應變。仿真結果還表明,在共振隧穿薄膜負阻區域的偏壓為0.78 V時,壓阻效應靈敏度的數量級為4.19×10-10,比室溫下硅的最大壓阻靈敏度高一個數量級,達到了高靈敏度微機械陀螺設計的目的.

微機械陀螺;介觀壓阻效應;共振隧穿;超晶格

微機械陀螺是利用振動質量被基座帶動旋轉時產生的哥氏力效應來敏感角速度的一種微慣性裝置[1].其關鍵技術主要有2個:一是微機械陀螺加工技術;二是微機械陀螺微弱信號檢測技術[2].隨著M EM S加工工藝的迅猛發展,微機械陀螺加工問題已基本解決,而微機械陀螺檢測技術一直是制約其發展的瓶頸.因此,本文提出將介觀壓阻效應原理應用到微機械陀螺中,把共振隧穿薄膜作為檢測元件,從而得到能耗低、靈敏度高、工作頻率高、尺寸不受限制的微機械陀螺.

1 介觀壓阻效應微機械陀螺的結構設計

1.1 介觀壓阻效應

介觀壓阻效應是指在力學信號作用下,納米結構的應力分布發生變化而引起內建電場產生,內建電場又導致納米帶結構中量子能級發生變化,從而使共振隧穿電流變化.因此,在共振隧穿電壓附近,通過介觀壓阻效應,可以將一個微弱力學信號轉化為一個較強的電學信號[3].

GaA s/A lA s共振隧穿薄膜就具有介觀壓阻效應,可以用于制作微機械陀螺的敏感部分.根據它的介觀壓阻效應來檢測應力和隧穿電流的變化關系,測量出角速度、哥氏力、外應力.

1.2 微機械陀螺設計

本文設計的微陀螺如圖1所示.它采用兩層結構,上層為結構層,下層為蓋板層,兩層結構均由GaA s材料制作.在結構層上有直拉直壓微梁結構[4]懸臂梁、微梁和一個可動質量塊,微梁上通過薄膜生長形成共振隧穿薄膜.蓋板層主要由驅動電極和阻尼孔組成,驅動電極和質量塊間形成的一定間距是通過特殊工藝制成的.

圖1 具有微梁結構的微陀螺

2 微陀螺介觀壓阻效應的計算機模擬

圖2所示為微機械振動陀螺的基本模型.設x方向為驅動振動方向,y方向為檢測振動方向.施加一定的激勵使質量塊沿x方向產生振動,當該系統有沿z方向旋轉角速度Ω時,由于哥氏力作用,質量塊就會產生沿y方向的振動.檢測哥氏力的大小就能知道輸入角速度Ω的大小.

圖2 微機械振動陀螺原理圖

共振隧穿電流是由于在 GaA s/A lA s共振隧穿薄膜[5]中發射極電子能級和超晶格量子勢阱中共振能級對齊所產生的,如果對超晶格量子阱材料加上偏壓Vb,量子阱的位勢V(z)就會呈現出一系列傾斜的階梯狀.但由于同一結構超晶格量子阱的位勢也是傾斜不等的,因此需要將位勢分割成一系列的小臺階,并假定在每個小臺階內部位勢近似相等,這樣隧穿系數便可表達為[6]:

式中:M11為傳遞矩陣,與外加電場、有效質量、波矢等有關;m＊n、kn分別為電子在第n段材料內的有效質量和波矢.

由于z方向電子運動與x、y方向無關,于是隧穿電流密度J(Vb,T)的計算公式也可表達為[5]:

式中:e為電子電荷的大小;m＊為發射極電子的有效質量;kB為玻爾茲曼常數;T為絕對溫度;EF為電極費米能,它與電極材料的摻雜類型和摻雜濃度有關,其值通常從發射極導帶底算起;Ez為入射電子沿z方向的能量;T(Ez,Vb)為共振隧穿薄膜加偏壓后量子阱體系的隧穿系數.

將薄膜有關的結構參數[5]代入式(1)和式(2),利用M atlab軟件編程仿真,得出該薄膜結構在不同應變下的電流 -電壓曲線,如圖3所示.通過圖3可以看出:當施加在GaA s/A lA s共振隧穿薄膜上的偏置電壓為0.9 V,且薄膜上的應變幅值不大于0.000 575時,薄膜都工作在負阻區域,共振隧穿薄膜能較好地檢測出微梁上的應變.

圖3 不同應變下的電流-電壓曲線

3 實驗驗證與分析

圖4所示為實驗原理框圖[7],包括激光拉曼光譜儀顯微測試系統、螺旋測微加壓裝置、I-V特性測試儀,其中的螺旋測微加壓裝置可從3個方向對樣品施加單軸應力,以檢測薄膜機電特性與施加應力方向的關系.測試實物平臺如圖5所示[8].

實物平臺實驗中將螺旋測微器加壓裝置放于拉曼光譜的三軸平臺上,并用螺旋測微器對共振隧穿薄膜施加單軸應力,同時應用拉曼光譜儀進行應力大小標定.I-V特性測試儀測試I-V特性,其實驗測試曲線如圖6所示[8].

對實驗得到的不同應力作用下的I-V曲線和仿真曲線(如圖7所示)相比較可以看出,仿真曲線和實驗曲線在數量級上是一致的,即隨著應力的增大,峰值偏置電壓和峰值電流均增大.峰值偏置電壓增大是由于應力的不斷增大使勢阱寬度變窄,阱內共振能級升高,而峰值電流增大是由于在外加應力不斷地增大下勢壘由厚變薄導致的.仿真值和實驗值存在差別的主要原因是:一是仿真計算采用的模型有一定簡化;二是制作的實驗樣品的精度有差異.從整體上看,仿真所得到峰值電流要稍小于實驗結果,但是兩者在趨勢上是一致的,在一定的應力(應變)條件下,隧穿電流隨著偏置電壓的增加先出現一個峰值,然后會有一個谷底,在幅值與谷值間出現一段負阻區;另外,隨著應力(應變)的增加,共振隧穿薄膜向下、向左有一定的平移.

根據圖6所示的實驗曲線計算得到:在共振隧穿薄膜負阻區域的偏壓為0.78 V時,壓阻效應靈敏度的數量級為4.19×10-10.這一結果與室溫下硅的最大壓阻靈敏度(2.76×10-11)[9]相比,共振隧穿薄膜的介觀壓阻靈敏度比硅的最大壓阻靈敏度顯然高一個數量級.

圖7 不同壓應力作用下的I-V仿真曲線

4 結 語

應用介觀壓阻理論探索性地研究設計了一種GaA s基微機械陀螺,并對其進行了性能仿真和實驗驗證,結果表明其壓阻靈敏度比硅的最大壓阻靈敏度高一個數量級,利用共振隧穿薄膜的介觀壓阻效應能顯著提高微機械陀螺的靈敏度.

[1]郭秀中.慣導系統陀螺儀理論[M].北京,國防工業出版社,1996.

[2]劉危,謝旭輝.微機械慣性傳感的技術現狀及展望[J].光學精密工程,2003,11(5):425-430.

[3]溫廷敦,張文棟.介觀壓阻效應[J].微納電子技術,2003,8(7):41-43.

[4]陳雪萌.一種壓阻式微機械陀螺的研究[D].北京:中國科學院研究生院,2005:6.

[5]張斌珍,李科杰,張文棟,等.GaAs基微機械加工技術[J].半導體技術,2006,31(7):481-484.[6]陳亞孚,萬春明,等.超晶格量子阱物理[M].北京:兵器工業出版社,2002:191.

[7]毛海央,張文棟,熊繼軍,等.共振隧穿二極管I-V特性的一致性測試與研究[J].儀器儀表學報,2006,27(S0):1189-1191.

[8]桑勝波.量子阱薄膜結構的機電特性實驗研究[D].太原:中北大學,2006.

[9]王建,張文棟,薛晨陽,等.GaAs微結構中共振隧穿薄膜介觀壓阻效應的研究[J].半導體技術,2006,31(9):702-705.

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

國家自然科學基金項目(50807048)

羅文華(1976-),女,四川大英人,碩士.