專利名稱：多層納米膜隧穿式微陀螺儀的檢測裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種多層納米膜隧穿式陀螺儀的檢測裝置，屬航空飛行 器的測量儀器儀表零部件的技術領域。
背景技術：
微型機械電子式陀螺儀是二十世紀九十年代發(fā)展起來的高新技術產(chǎn) 品，主要用于航空航天飛行器的姿態(tài)測量和功能控制，是軍用、民用飛 行器必不可少的最重要的關鍵器件之一， 一直受到世界航空航天科技領 域的高度重視。目前，微型機械陀螺儀常用的檢測方式是電容式和壓阻式，壓阻式 是基于高摻雜硅的壓阻效應原理實現(xiàn)的，高摻雜硅形成的壓敏器件對溫 度有較強的依賴性，其由壓敏器件組成的電橋檢測電路也會因溫度變化 引起精度漂移，電容式精度的提高是利用增大電容面積，由于器件的微 小型化，有效電容面積已受到了很大限制。微型機械電子式陀螺儀的姿態(tài)測量是靠檢測裝置表頭來完成的，其 靈敏度、分辨率是十分重要的，由于陀螺儀微型化和集成化，檢測的敏 感區(qū)域隨之減小，故而使檢測的靈敏度、分辨率等指標已達到敏感區(qū)域 檢測的極限狀態(tài)，從而限制了陀螺儀檢測精度的進一步提高，很難滿足 現(xiàn)代軍事、民用裝備的需要，在這種狀況下，必須研制適應高新技術的能 突破極限狀態(tài)的全新的微型機電式陀螺儀的檢測裝置。多層納米膜隧穿器件是一種基于新效應的檢測器件，屬前沿科學， 集中體現(xiàn)在它具有的介觀壓阻效應，介觀壓阻效應是通過四個物理過程 實現(xiàn)的， 一是在力學信號作用下，使納米帶結構中的應力分布發(fā)生變化， 二是應力變化引起產(chǎn)生內(nèi)建電場，三是內(nèi)建電場使納米帶結構中的量子能級發(fā)生變化，四是量子能級變化引起共振隧穿電流變化，通過四個物 理過程，可將微弱的力學信號轉(zhuǎn)化為較強的電學信號，多層納米膜隧穿 器件是用分子束外延和金屬氣相淀積技術制作，其量子阱沒有摻雜，所 以其內(nèi)不會因溫度變化而產(chǎn)生載流子濃度變化，使多層納米膜隧穿器件 的介觀壓阻效應和陀螺哥氏效應相結合，應用于陀螺儀檢測，是目前最 為前沿的科學技術，是世界科技界予以探討的技術領域。發(fā)明內(nèi)容發(fā)明目的本發(fā)明的目的就是針對背景技術的不足，設計一種微型陀螺儀的高 靈敏度的、用多層納米膜隧穿器件進行檢測的裝置，以大幅度提高微小 型陀螺儀的檢測精度和分辨率，使檢測數(shù)據(jù)更加準確、翔實、可靠。技術方案本發(fā)明主要結構由玻璃基板、固定電極正極、梳齒電極負極、敏 感質(zhì)量塊、固定梳齒、阻尼孔、檢測機構、驅(qū)動梁、檢測梁、聯(lián)接塊、 隧穿器件、納米膜層組成；'在玻璃基板64的前、后部對稱設置固定電極 正極65、 66，并粘結固牢，在玻璃基板64的左、右部對稱設置梳齒電極 負極67、 68，并粘結固牢，在固定電極正極65、 66上分別設有固定座3、 4，并粘結固牢，在梳齒電極負極67、 68上分別設有固定梳齒5、 6，并 粘結固牢，在玻璃基板64的中間位置設有敏感質(zhì)量塊1，在敏感質(zhì)量塊 1的四角部設有檢測機構7、 8、 9、 10,并與固定座3、 4吻合聯(lián)接，敏 感質(zhì)量塊1的梳齒19、 20與固定梳齒5、 6多叉關聯(lián)，敏感質(zhì)量塊1可 在玻璃基板64上做前、后、左、右移動，在檢測機構7、 8、 9、 10的前 后部分別設有隧穿器件11; 12、 13、 14、 15、 16、 17、 18，在敏感質(zhì)量 塊1上等間距均布96個通孔方形阻尼孔2。所述的玻璃基板64為方形，在玻璃基板64的前、后部對稱設有固 定電極正極65、 66，并粘結牢固，在玻璃基板64的左、右部對稱設有梳 齒電極負極67、 68，并粘結牢固，在玻璃基板64的中部，在固定電極正 極65、 66、梳齒電極負極67、 68之間為底槽69，在底槽69內(nèi)置放敏感 質(zhì)量塊1 。所述的敏感質(zhì)量塊1為方形，在敏感質(zhì)量塊1的左右部設有梳齒19、 20，與固定梳齒5、 6多叉關聯(lián)，在敏感質(zhì)量塊l的四角部對稱設有檢測 運動空間21、 22、 23、 24，在敏感質(zhì)量塊1的中部位置等間距設有96個 通孔方形阻尼孔2。所述的檢測機構7、 8、 9、 10，結構一樣，在聯(lián)接塊28的左、右部 為驅(qū)動梁25、 26，在聯(lián)接塊28的中部位置、驅(qū)動梁25、 26的中間為檢 測梁27，在檢測梁27的前部設有隧穿器件11、 13、 15、 17、后部設有 隧穿器件12、 14、 16、 18。所述的固定座3、 4為'矩形，結構一樣，在固定座3、 4的兩端部設 有座槽29、 30，并與檢測機構7、 8、 9、 IO吻合聯(lián)接。所述的固定梳齒5、 6， 一側為平直面， 一側均勻布有梳齒31、梳齒 槽32、并與敏感質(zhì)量塊1上的梳齒19、 20交叉關聯(lián)。所述的隧穿器件11、 12、 13、 14、 15、 16、 17、 18，結構一樣，在 襯底基板33的左上部設有絕緣層34，右上部設有絕緣層35，在襯底基 板33的中上部設有集電極臺面41、發(fā)射極臺面42，在絕緣層34上部設有電極36，在集電極臺面41上部設有電極38，在絕緣層35上部設有電 極39，在電極36與38之間為電極37，在電極36、 37、 38之間形成空 氣橋61;在發(fā)射極臺面42上部為納米膜層63，納米膜層63由17層納 米膜組成，納米膜層63頂部為金屬電極層60;發(fā)射極臺面42上部為砷 鋁層43、即AlAs層，在砷鋁層43上部為砷鎵層44、即GaAs層，在砷 鎵層44上部為砷鎵一氮層45、即N^GaAs層，在砷鎵一氮層45上部為 砷鎵一氮層46、即]ST-GaAs層，在砷鎵一氮層46上部為砷鎵層47、即 GaAs層，在砷鎵層47上部為砷鎵一銦層48、即In-GaAs層，在砷鎵一 銦層48上部為砷鎵層49、即GaAs層，在砷鎵層49上部為砷鋁層50、 即AlAs層，在砷鋁層50.上部為砷鎵層51、即GaAs層，在砷鎵層51 上部為砷鎵一銦層52、即In-GaAs層，在砷鎵一銦層52上部為砷鎵層 53、即GaAs層，在砷鎵層53上部為砷鋁層54、即AlAs層，在砷鋁層 54上部為砷鎵層55、即GaAs層，在砷鎵層55上部為砷鎵一銦層56、 即In-GaAs層，在砷鎵一銦層56上部為砷鎵層57、艮卩GaAs層，在砷鎵 層57上部為砷鎵一氮層58、即N^GaAs層，在砷鎵一氮層58上部為砷 鎵一氮層59、即N"-GaAs層，在砷鎵一氮層59上部為金屬電極層60; 在金屬電極層60與電極39之間為電極40，在電極40、 39與納米膜層 63之間為空氣橋62。有益效果本發(fā)明與背景技術相比具有明顯的先進性，此檢測裝置是采用整體 結構設計，以玻璃基板為載體，在敏感質(zhì)量塊上對稱設置結構一樣的四 個檢測機構，在中間均布96個通孔方形阻尼孔，敏感質(zhì)量塊前、后設置 固定座、左、右設置固定梳齒，固定梳齒與敏感質(zhì)量塊上的梳齒交叉關 聯(lián)，檢測機構由聯(lián)接塊、檢測梁、驅(qū)動梁、隧穿器件組成，成回折正交 梁結構，既能有效利用空間，又能抑制驅(qū)動對檢測的影響，適合器件的微小型化，隧穿器件由襯底基板、絕緣層、電極、發(fā)射極、17層納米膜、 金屬電極層組成，17層納米膜+金屬電極層可使隧穿器件形成多勢壘壓敏 結構，可比硅壓阻器件的靈敏度提高1—2個數(shù)量級，此裝置結構合理緊 湊、檢測使用方便、檢測精度高、分辨率高、不受溫度影響，其檢測精 度比現(xiàn)有技術可提高2—3倍，檢測數(shù)據(jù)翔實、準確、可靠性好、靈敏度 高，是十分理想的微小型陀螺儀的檢測裝置。


圖1為整體結構2為整體結構主視3為玻璃基板結構4為玻璃基板主視5為玻璃基板俯視6為敏感質(zhì)量塊主視7為敏感質(zhì)量塊俯視8為檢測機構結構9為檢測機構主視IO為檢測機構俯視11為檢測機構側視12為固定座結構13為固定梳齒結構14為固定梳齒主視15為固定梳齒俯視16為隧穿器件結構中所示，附圖標記清單如下:6、固定梳齒，7、檢測機構，8、檢測機構，9、檢測機構，10、檢測機 構，11、隧穿器件，12、隧穿器件，13、隧穿器件，14、隧穿器件，15、 隧穿器件，16、隧穿器件，17、隧穿器件，18、隧穿器件，19、梳齒， 20、梳齒，21、檢測運動空間，22、檢測運動空間，23、檢測運動空間， 24、檢測運動空間，25、驅(qū)動梁，26、驅(qū)動梁，27、檢測梁，28、聯(lián)接 塊，29、座槽，30、座槽，31、梳齒，32、梳齒槽、33、襯底基板，34、 絕緣層，35、絕緣層，36、電極，37、電極，38、電極，39、電極，40、 電極，41、集電極臺面，42、發(fā)射極臺面，43、砷鋁層，44、砷鎵層， 45、砷鎵一氮層，46、砷鎵一氮層，47、砷鎵層，48、砷鎵一銦層，49、 砷鎵層，50、砷鋁層，51、砷鎵層，52、砷鎵一銦層，53、砷鎵層，54、 砷鋁層，55、砷鎵層，56、砷鎵一銦層，57、砷鎵層，58、砷鎵一氮層， 59、砷鎵一氮層，60、金屬電極層，61、空氣橋，62、空氣橋，63、納 米膜層，64、玻璃基板，65、固定電極正極，66、固定電極正極，67、 梳齒電極負極，68、梳齒電極負極，69、底槽。
具體實施方式
以下結合附圖對本發(fā)明做進一步說明圖1、 2所示，為整體結構圖，以玻璃基板64為載體，其前、后、 左、右部設有固定電極正極65、 66、梳齒電極負極67、 68，中間為底槽 69，在底槽69內(nèi)為敏感質(zhì)量塊1，以敏感質(zhì)量塊l為中心，在左右設置 固定梳齒5、 6，與敏感質(zhì)量塊1上的梳齒19、 20交叉關聯(lián)，前、后固定 座3、 4與檢測機構7、 8、 9、 IO吻合聯(lián)接，阻尼孔2為96個通孔方形， 也可視需要設計成圓形或矩形，也可視需要設置48個、72個、120個， 其尺寸大小可根據(jù)應用環(huán)境和阻尼系數(shù)確定。檢測機構7、 8、 9、 10與固定座3、 4吻合聯(lián)接。敏感質(zhì)量塊1用半導體材料砷化鎵GaAs材料制作，厚度為80 " m，是超薄形，敏感質(zhì)量塊1可在玻璃基板64內(nèi)的底槽69內(nèi)做前、后、左、 右移動，以便于測量。 發(fā)明原理是敏感質(zhì)量塊在靜電梳齒的驅(qū)動作用下，沿X軸方向作線性簡諧振動， 當陀螺儀在Y軸方向有角速度輸入時，檢測梁由于哥氏力的作用將在Z 軸方向產(chǎn)生進動，在檢測梁兩端的17層納米膜隧穿器件由于進動，而引 起Y軸方向應力變化，應力引起介觀壓阻效應，這樣就可把一個微弱的 力學信號轉(zhuǎn)化為一個較強的電學信號，通過該信號的檢測就可以檢測出Y 軸方向輸入角速度的大小。圖3、 4、 5所示，為玻璃基板64結構圖，玻璃基板64為半導體材 料砷化鎵制作，前、后、左、右對稱設有固定電極正極65、 66、梳齒電 極負極67、 68，呈方形布置，中間為底槽69，是整個檢測裝置的載體， 厚度為80ym。圖6、 7所示，為敏感質(zhì)量塊結構圖，敏感質(zhì)量塊l呈方形，四角部 設有檢測運動空間21、 22、 23、 24，左右部為梳齒19、 20、中間均布通 孔方形阻尼孔2，敏感質(zhì)量塊1用半導體材料砷化鎵制作，厚度為80 y m， 制作時要小心輕放，注意防止折斷。圖8、 9、 10、 ll所示，為檢測機構結構圖，檢測機構7、 8、 9、 10， 結構一樣，端部為聯(lián)接塊28，在聯(lián)接塊28的左、右部對稱設置驅(qū)動梁 25、 26，在驅(qū)動梁25、 26之間為檢測梁27，端部與聯(lián)接塊28固定，驅(qū) 動梁25、 26與聯(lián)接塊28厚度相同，檢測梁27的厚度小于驅(qū)動梁25、 26、 聯(lián)接塊28，在檢測梁27的外端部設有隧穿器件11、 13、 15、 17、內(nèi)端 部設有隧穿器件12、 14、 16、 18，聯(lián)接塊28、驅(qū)動梁25、 26的厚度與 敏感質(zhì)量塊l的厚度相同。圖12所示，為固定板3、 4結構圖，固定板3、 4左、右側部設有座 槽29、 30，座槽29、 30與檢測梁27對應吻合，固定座3、 4與敏感質(zhì)量塊l的厚度相同。圖13、 14、 15所示，為固定梳齒5、 6結構圖，固定梳齒3、 4的側 部等間距設置梳齒31，梳齒31之間為梳齒槽32,梳齒31、梳齒槽32與 敏感質(zhì)量塊1上的梳齒19、 20交叉關聯(lián)，固定梳齒5、 6與敏感質(zhì)量塊1 的厚度相同。圖16所示，為隧穿器件ll、 12、 13、 14、 15、 16、 17、 18結構圖， 各隧穿器件結構一樣，襯底基板33為半導體材料砷化鎵制作，為矩形體， 在左、右面對稱設置絕緣層34、 35，中間設置集電極臺面41、發(fā)射極臺 面42，在絕緣層34、集電極臺面41上設有電極36、 38，之間設有電極 37，電極37下部為空氣橋61，在發(fā)射極臺面42上為納米膜層63，納米 膜層63與電極39之間有電極40,電極40下部為空氣橋62，納米膜層 63由17層納米膜組成，各膜層均由砷化物組成，其膜層厚度不一，均為 納米級，從0.5—3000nm不等，第一層為非摻雜的砷鋁層43，第十七層 為砷鎵一氮層59，第十七層上部為金屬電極層60;絕緣層34、 35用氮 化硅材料制作，防止襯底基板33與金屬電極導通；空氣橋61、 62是為 了減少寄生電容。隧穿器件的17層納米膜是用分子束外延設備制作的，分子束外延是 一種在晶體基片上生長的高質(zhì)量的晶體薄膜，在真空條件下，按晶體排 列一層層的生長在基板上，并形成納米級膜層，逐層積淀，要嚴格制作 并控制其膜層質(zhì)量、厚度，否則將影響微陀螺儀檢測裝置的精度和靈敏 度。
權利要求
1. 多層納米膜隧穿式微陀螺儀的檢測裝置，其特征在于主要結構由玻璃基板、固定電極正極、梳齒電極負極、敏感質(zhì)量塊、固定梳齒、阻尼孔、檢測機構、驅(qū)動梁、檢測梁、聯(lián)接塊、隧穿器件、納米膜層組成；在玻璃基板(64)的前、后部對稱設置固定電極正極(65、66)，并粘結固牢，在玻璃基板(64)的左、右部對稱設置梳齒電極負極(67、68)，并粘結固牢，在固定電極正極(65、66)上分別設有固定座(3、4)，并粘結固牢，在梳齒電極負極(67、68)上分別設有固定梳齒(5、6)，并粘結固牢，在玻璃基板(64)的中間位置設有敏感質(zhì)量塊(1)，在敏感質(zhì)量塊(1)的四角部設有檢測機構(7、8、9、10)，并與固定座(3、4)吻合聯(lián)接，敏感質(zhì)量塊(1)的梳齒(19、20)與固定梳齒(5、6)交叉關聯(lián)，敏感質(zhì)量塊(1)可在玻璃基板(64)上做前、后、左、右移動，在檢測機構(7、8、9、10)的前后部分別設有隧穿器件(11、12、13、14、15、16、17、18)，在敏感質(zhì)量塊(1)上等間距均布96個通孔方形阻尼孔(2)。
2、 根據(jù)權利要求1所述的多層納米膜隧穿式微陀螺儀的檢測裝置， 其特征在于所述的玻璃基板(64)為方形，在玻璃基板(64)的前、 后部對稱設有固定電極正極(65、 66)，并粘結牢固，在玻璃基板(64) 的左、右部對稱設有梳齒電極負極(67、 68)，并粘結牢固，在玻璃基板(64)的中部，在固定電極正極(65、 66)、梳齒電極負極(67、 68)之 間為底槽(69)，在底槽(69)內(nèi)置放敏感質(zhì)量塊(1)。
3、 根據(jù)權利要求1所述的多層納米膜隧穿式微陀螺儀的檢測裝置， 其特征在于所述的敏感質(zhì)量塊(1)為方形，在敏感質(zhì)量塊(1)的左 右部設有梳齒(19、 20)，與固定梳齒(5、 6)多叉關聯(lián)，在敏感質(zhì)量塊(1)的四角部對稱設有檢測運動空間(21、 22、 23、 24)，在敏感質(zhì)量塊(1)的中部位置等間距設有96個通孔方形阻尼孔(2)。
4、 根據(jù)權利要求1所述的多層納米膜隧穿式微陀螺儀的檢測裝置， 其特征在于所述的檢測機構(7、 8、 9、 10)，結構一樣，在聯(lián)接塊(28) 的左、右部為驅(qū)動梁(25、 26)，在聯(lián)接塊(28)的中部位置、驅(qū)動梁(25、 26)的中間為檢測梁(27)，在檢測梁(27)的前部設有隧穿器件(11、 13、 15、 17)、后部設有隧穿器件(12、 14、 16、 18)。
5、 根據(jù)權利要求1所述的多層納米膜隧穿式微陀螺儀的檢測裝置， 其特征在于所述的固定座(3、 4)為矩形，結構一樣，在固定座(3、 4)的兩端部設有座槽(29、 30)，并與檢測機構(7、 8、 9、 10)吻合聯(lián) 接。
6、 根據(jù)權利要求1所述的多層納米膜隧穿式微陀螺儀的檢測裝置， 其特征在于所述的固定梳齒(5、 6)， 一側為平直面， 一側均勻布有梳 齒(31)、梳齒槽(32)、并與敏感質(zhì)量塊(1)上的梳齒(19、 20)交叉 關聯(lián)。
7、 根據(jù)權利要求1所述的多層納米膜隧穿式微陀螺儀的檢測裝置， 其特征在于所述的隧穿器件(11、 12、 13、 14、 15、 16、 17、 18)，結 構一樣，在襯底基板(33)的左上部設有絕緣層(34)，右上部設有絕緣 層(35)，在襯底基板(33)的中上部設有集電極臺面(41)、發(fā)射極臺 面(42),在絕緣層(34)上部設有電極(36)，在集電極臺面(41)上 部設有電極(38)，在絕緣層(35)上部設有電極(39)，在電極(36) 與(38)之間為電極(37)，在電極(36、 37、 38)之間形成空氣橋(61); 在發(fā)射極臺面(42)上部為納米膜層(63),納米膜層(63)由17層納 米膜組成，納米膜層63頂部為金屬電極層(60);發(fā)射極臺面(42)上 部為砷鋁層(43)、即AlAs層，在砷鋁層(43)上部為砷鎵層(44)、即 GaAs層，在砷鎵層(44)上部為砷鎵一氮層(45)、即1ST-GaAs層，在砷鎵一氮層(45)上部為砷鎵一氮層(46)、即N^-GaAs層，在砷鎵一氮 層(46)上部為砷鎵層(47)、即GaAs層，在砷鎵層(47)上部為砷鎵 一銦層(48)、即In-GaAs層，在砷鎵一銦層(48)上部為砷鎵層(49)、 艮卩GaAs層，在砷鎵層(49)上部為砷鋁層(50)、 g卩AlAs層，在砷鋁 層(50)上部為砷鎵層(51)、即GaAs層，在砷鎵層(51)上部為砷鎵 —銦層(52)、即In-GaAs層，在砷鎵一銦層(52)上部為砷鎵層(53)、 艮PGaAs層，在砷鎵層(53)上部為砷鋁層(54)、即AlAs層，在砷鋁 層(54)上部為砷鎵層(55)、即GaAs層，在砷鎵層(55)上部為砷鎵 _銦層(56)、即In-GaAs層，在砷鎵一銦層(56)上部為砷鎵層(57)、 即GaAs層，在砷鎵層(57)上部為砷鎵一氮層(58)、即N^GaAs層， 在砷鎵一氮層(58)上部為砷鎵一氮層(59)、即N^GaAs層，在砷鎵一 氮層(59)上部為金屬電極層(60);在金屬電極層(60)與電極(39) 之間為電極(40)，在電極(40、 39)與納米膜層(63)之間為空氣橋(62)。 8、根據(jù)權利要求1所述的多層納米膜隧穿式微陀螺儀的檢測裝置， 其特征在于所述的敏感質(zhì)量塊(1)上均布的阻尼孔(2)為96個，均 為通孔方形。
全文摘要
一種多層納米膜隧穿式微陀螺儀的檢測裝置，主要結構由玻璃基板、固定電極正極、梳齒電極負極、敏感質(zhì)量塊、固定座、固定梳齒、阻尼孔、檢測梁、驅(qū)動梁、聯(lián)接塊、隧穿器件、納米膜層組成，在敏感質(zhì)量塊上設置固定座、梳齒，檢測由檢測梁、驅(qū)動梁、隧穿器件組成，隧穿器件由襯底基板、絕緣層、電極、納米膜層組成，在玻璃基板上設置固定電極正極、梳齒電極負極，阻尼孔由96個通孔方形孔組成，納米膜層可使隧穿器件形成多勢壘壓敏結構，可使硅壓阻器件的靈敏度提高1-2個數(shù)量級，此裝置結構合理緊湊，檢測方便，檢測精度高，靈敏度高，分辨率高，不受溫度影響，其檢測精度比現(xiàn)有技術可提高2-3倍，檢測數(shù)據(jù)翔實、準確，可靠性好。
文檔編號G01C19/5656GK101270990SQ20081005493
公開日2008年9月24日 申請日期2008年5月6日 優(yōu)先權日2008年5月6日
發(fā)明者俊 劉, 張斌珍, 杰 李, 李孟委, 康 杜, 衛(wèi) 楊, 石云波, 濤 郭 申請人:中北大學