砷化镓基介观压阻型微机械陀螺仪的设计与测试

摘要

随着微纳米材料制备技术和微纳器件加工技术的迅速发展，各种基于超晶格量子阱结构的新原理器件被研制出来，因其纳米材料和结构尺寸的不同而产生各种效应，应用这些效应的新概念传感器随即被广泛提出。共振隧穿结构（RTS）是一种具有介观压阻效应的新型压阻器件，具有灵敏度高、温度漂移小的优点。微机械陀螺是一种测量角速度或角位移的惯性传感器，具有体积小、重量轻、可靠性高的特点，在微惯性导航领域有很大的应用潜力。将RTS的介观压阻效应与哥氏效应相结合应用于微机械陀螺是一种创新性的研究，可在本质上提高微机械陀螺的灵敏度。
　　本论文在共振隧穿结构介观压阻效应理论的基础上，提出了一种GaAs基介观压阻型微机械陀螺仪。主要工作包括介观压阻型微机械陀螺的设计、加工和测试。该陀螺采用电磁驱动-介观压阻检测方式，设计了一种回折型正交梁结构实现驱动方式和检测方式的要求；应用ANSYS优化设计对陀螺进行了模态匹配，驱动模态和检测模态的固有频率分别为3530Hz和3671Hz；对陀螺结构的驱动方向和检测方向的阻尼进行了分析并得到，当位移间隙设计为15μm时，大气环境中驱动方向和检测方向的品质因数分别为4595.5和166；利用ANSYS瞬态分析对该结构进行了哥氏效应的仿真。采用分子束外延（MBE）技术在半绝缘的GaAs衬底上生长了GaAs/AlAs/InGaAs双势垒单势阱的隧穿薄膜结构，通过GaAs基表面加工技术和体加工技术实现了RTS结构和陀螺结构的加工，并实现了工艺的兼容。
　　根据电磁驱动和介观压阻检测原理设计了一种简单的测试接口电路，分别对驱动方向、检测方向上的特性及哥氏效应进行了测试。由于加工精度问题，测试得到驱动方向的固有频率和品质因数分别为4020Hz和200.5；检测方向在1KHz和4KHz输出的灵敏度分别为7.51mV/g和100.74mV/g；当测量的范围为±550°/s时，哥氏效应灵敏度为9.35μV/°/s。
　　本文首次探索性的对介观压阻型GaAs基新概念微机械陀螺仪进行了研究，由于初次研究，在设计、加工和测试方面都存在诸多问题，对陀螺结构的优化、加工工艺的提高和测试方法的改进方面都值得深入研究，因此本文开发的介观压阻型微机械陀螺仪具有进一步提高性能的潜力，同时表现出广阔的应用前景。

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第1章 绪 论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本论文的研究工作

1.4 本章小结

第2章 微机械陀螺基础

2.1哥氏效应

2.2微机械陀螺动力学关键参数推导

2.3 微机械陀螺的驱动与检测原理

2.4 本章小结

第3章 介观压阻型电磁驱动微机械陀螺的结构设计

3.1 结构设计原则与思路

3.2 微机械陀螺主要内容与结构设计

3.3 ANSYS软件及优化设计

3.4 微机械陀螺振动模态刚度分析与仿真

3.5微机械陀螺振动模态固有频率分析与仿真

3.6 微机械陀螺振动模态阻尼分析与计算

3.7 微机械陀螺品质因数分析与仿真

3.8 微机械陀螺振动特性分析与仿真

3.9本章小结

第4章 介观压阻效应电磁驱动微机械陀螺的工艺加工

4.1 工艺流程

4.2 版图设计与加工

4.3 本章小结

第5章 微机械陀螺的接口电路设计与性能测试

5.1 微机械陀螺驱动接口电路

5.2 微机械陀螺检测接口电路

5.3 微机械陀螺性能测试

5.4 本章小结

总结和展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及所取得的研究成果

致谢