CN103364585A - 一种新型介观压阻效应微加速度计 - Google Patents

Abstract

一种新型介观压阻效应微加速度计，主要结构由键合基板、敏感质量块、支撑框体、共振隧穿器件、组合梁组成，共振隧穿器件由共振隧穿材料薄膜层、共振隧穿器件正极、共振隧穿器件负极组成，组合梁由检测梁、连接块、横向缓冲梁组成；以键合基板为载体，在键合基板上键合有支撑框体，支撑框体的四边中心位置处连接有组合梁，组合梁连接于敏感质量块的四边中心部位，另一侧与支撑框体相连，组合梁由检测梁、连接块、横向缓冲梁组成。共振隧穿材料薄膜层形成多势垒压敏结构，可使硅压阻器件的灵敏度提高1-2个数量级，根据本发明实施例的微加速度计，结构合理紧凑，检测方便，精度高，可靠性好，适合微型化，具有很强的抗横向作用。

Description

一种新型介观压阻效应微加速度计

技术领域

本发明涉及微惯性导航关键器件研究领域，具体而言，涉及一种具有抗横向干扰的基于共振隧穿效应的微加速度计。

背景技术

微机械加速度计是一种体积小、功耗低、可批量化生产的加速度计，其广泛应用于的军用、民用领域内加速度、振动、过载信号的测试，另外，它也是空间运动物体姿态测量和控制的关键器件之一，一直受到航空航天领域的高度重视。

传统微加速度计按敏感原理可分为：电容式、压阻式、隧道效应式、压电式等。其中前两种共同的特点是：其灵敏度提高均依赖于结构刚度的减小，高灵敏度伴随着小量程、低过载，并且电容式的在小型化应用中也比较容易出现吸合和击穿等问题。此外，随着传感器尺寸的减小，其有效的敏感区域也随之减小，其灵敏度和分辨率等指标也明显降低，已经达到或接近其灵敏感知的极限，因而限制了检测灵敏度的进一步提高。压电效应纳传感器的灵敏度易漂移，需要经常校正，归零慢，不宜连续测试。隧道效应纳传感器，制造工艺复杂，受原理限制量程较小，检测电路也相对较难实现，成品率低，不利于集成。传统检测方式的种种不足，限制的微加速度计向微小型化、集成化等方向发展，难以满足现代军事、民用装备的需要。

共振隧穿器件正逐步应用于传感器领域，其核心结构是超晶格纳米级宽带隙材料夹杂着超晶格纳米级窄带隙材料，集中体现在介观压阻效应上。介观压阻效应的敏感机理是：在力学信号作用下，多层纳米膜结构中的应变发生变化；一定条件下应变可引起结构内建电场的产生；内建电场将导致纳米带结构中量子能级发生变化；量子能级变化会引起共振隧穿电流变化。简言之，共振隧穿器件可以通过上述四个物理过程，将一个微弱力学信号转化为一个较强的电学信号。基于多层纳米膜的共振隧穿器件是用分子束外延和金属气相淀积技术制作，其量子阱没有掺杂，所以其内不会因温度变化而产生载流子浓度变化。将共振隧穿器件的介观压阻效应应用于微加速度计检测，有利于微加速度计灵敏度的提高，是目前前沿的科学技术，是世界科技界予以探讨的技术领域。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。

有鉴于此，本发明需要提供微机械加速度计，该微机械加速度计为基于共振隧穿效应的微机械加速度计，可以提高微机械加速度计的检测精度，一定程度上有利于减小甚至消除横向加速度对检测方向上的干扰，使检测数据更加精准、可靠。

根据本发明实施例的微机械加速度计，采用整体结构设计，结构设计合理，适合器件的微型化。组合梁的检测梁根部设有共振隧穿器件，共振隧穿器件通过介观压阻效应的四个物理过程，可以将一个微弱力学信号转化为一个较强的电学信号，有利于微加速度计检测灵敏度的提升。微加速度计在悬臂梁设计上采用了回折形正交组合梁，有利于微陀螺降低横向干扰，这些特点都将有效促进微加速度计检测精度的提高。除以上特点外，该微加速度计的检测电路设计简单、使用方便、可靠性好，适合微型化。

根据本发明的一个实施例，所述的键合基板为正方形结构，键合基板上表面的中心位置设有供敏感质量块运动的底槽。

根据本发明的一个实施例，所述的加速度敏感体，设在键合基板的上方，并与键合基板粘结牢固。且加速度敏感体包括：敏感质量块，对应设在键合基板底槽上方；组合梁，用于连接敏感质量块和支撑框体；支撑框体，通过组合梁与敏感质量块连接，对敏感质量块起到支撑作用；和共振隧穿器件，作为微加速度计的敏感部件，设在组合梁的检测梁根部。

根据本发明的一个实施例，所述微加速度计进一步包括：敏感质量块，对应设在键合基板底槽的上方；支撑框体，通过悬臂梁与敏感质量块相连接，对敏感质量块起到支撑作用。

根据本发明的一个实施例，所述的敏感质量块为正方形，且内嵌在键合基板上的底槽中，并可在此底槽中上下、前后、左右运动；所述的敏感质量块四边中心通过组合梁与支撑框体连接起来。

根据本发明的一个实施例，所述的组合梁为正交回折形结构，与敏感质量块和支撑框体为一整体结构；组合梁进一步包括：检测梁、连接块、横向缓冲梁，连接块的两端分别连接于横向缓冲梁的端部。检测梁宽度远大于厚度，保证其上下方向刚度远小于水平方向；横向缓冲梁的厚度远大于宽度，保证上下方向刚度远大于水平方向。

根据本发明的一个实施例，所述的共振隧穿器件，是先在衬底层上制作绝缘层，然后绝缘层上制作具有介观压阻效应的共振隧穿材料薄膜层，共振隧穿材料薄膜层的两端分别连接有共振隧穿器件正极、共振隧穿器件负极。共振隧穿器件最终通过共振隧穿器件引线电极与外部电路连接。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1为本发明实施例的整体结构立体图；

图2为本发明实施例的整体结构平面图；

图3为本发明实施例的键合基板立体结构图；

图4为本发明实施例的敏感质量块立体结构图；

图5为本发明实施例的组合梁立体结构图；

图6为本发明实施例的共振隧穿器件的结构图；

图7为本发明实施例的共振隧穿器件详细结构图；

图中所示，附图标记清单如下：

1、键合基板，2、敏感质量块，3、支撑框体，4、组合梁，5、共振隧穿器件，6、底槽， 7、检测梁，8、连接块，9、横向缓冲梁，10、衬底层，11、绝缘层，12、共振隧穿材料薄膜层，13、共振隧穿器件正极，14、共振隧穿器件负极，15、共振隧穿器件引线电极，16、集电极台面，17、发射极台面，18、金属电极层，19、空气桥，20、空气桥，21金属电极层。

 具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语 “相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

微加速度计原理上采用灵敏度较高的介观压阻效应作为敏感原理可有效提高微加速度计的灵敏度。在结构的设计上微加速度计采用了正方形质量块和回折形正交梁，这一结构除能够很好地对检测方向的加速度进行敏感之外，也能够对来自其他方向的加速度进行检测隔离，有效抵制了横向干扰，对于提高加速度计的检测精度具有十分重要的意义。

以下结合附图对本发明做进一步说明：如图1、2所示，根据本发明的一个实施例，微加速度计以键合基板1为载体，在键合基板1的四周边框上牢固键合有支撑框体3，支撑框体3内侧四边的中心位置处连接于组合梁4的检测梁7一端，检测梁7另一端与连接块8相连，并通过横向缓梁9连接于敏感质量块2的四角部位，在组合梁的检测梁根部制作有共振隧穿器件5。

如图3所示，根据本发明的一个实施例，键合基板1呈方形，且上表面中心区域加工有底槽6。键合基板1的四周边框宽度与支撑框体3的宽度相等，底槽6的深度视敏感质量块2的运动距离决定，敏感质量块2可在由支撑框体3的中心方形区域及底槽6的组成的矩形空间内上下、前后、左右运动。

如图4所示，根据本发明的一个实施例，为敏感质量块的结构图，敏感质量块2俯视呈正方形，四边中心区域通过呈正交形回折梁的组合梁4与支撑框体3相连，背面呈四棱台形。

如图5所示，根据本发明的一个实施例，为组合梁4立体结构图，检测梁7和横向缓冲梁9的端部共同连接于连接块8的一侧，且检测梁7在中间，两横向缓冲梁9分布于两侧。横向缓冲梁9的另一端连接至敏感质量块2。

检测梁7的厚度相对于连接块8的厚度较薄，即检测梁可灵敏的感受Z轴方向上的惯性力，横向缓冲梁9的厚度与连接块8的厚度相等，但横向缓冲梁9宽度较厚度窄，即横向缓冲梁9可在X轴、Y轴方向的敏感度将远大于其在Z轴方向的，即横向缓冲梁在Z轴方向不敏感。

如图6所示，根据本发明的一个实施例，为共振隧穿器件的结构图，共振隧穿器件结构相同，在硅衬底层10上设置有绝缘层11，在绝缘层11上设置有共振隧穿材料薄膜层12，共振隧穿材料薄膜层12的两端分别连接有共振隧穿器件正极13、共振隧穿器件负极14。

如图7所示，根据本发明的一个实施例，衬底层10可以为半导体材料制作，为矩形体，在左、右面对称设置绝缘层11，中间设置集电极台面16、发射极台面17，在绝缘层11上设有共振隧穿器件正极13，共振隧穿器件正极13的中间位置下部为空气桥19，在集电极台面16上为多层隧穿器件材料纳米膜12，多层隧穿器件材料纳米膜12上部设金属电极层18，金属电极层17通过空气桥20与共振隧穿器件正极13相连，发射极台面17上设有金属电极层21，金属电极层21通过空气桥19与共振隧穿器件负极14相连，共振隧穿器件负极14的中间位置的下部为空气桥20，多层隧穿器件材料纳米膜12由多层纳米膜组成，各膜层均由砷化物组成，其膜层厚度不一，均为纳米级，从0.5-3000nm不等; 绝缘层11可防止衬底12与电极导通:空气桥19、20是为了减少寄生电容。

共振隧穿器件的多层隧穿器件材料纳米膜12是用分子束外延设备制作的，分子束外延是一种在晶体基片上生长的高质量的晶体薄膜，在真空条件下，按晶体排列一层层的生长在基板上，并形成纳米级膜层，逐层积淀，要严格制作并控制其膜层质量、厚度，否则将影响微陀螺仪检测装置的精度和灵敏度。

当加速度计在Z轴方向有加速度时，敏感质量块会在惯性作用下，偏离平衡位置，沿Z轴方向振动。从而带动组合梁的检测梁发生形变，检测梁的形变引起制作与其根部的共振隧穿器件发生形变，根据共振隧穿器件所具有的介观压阻效应，微小的形变引起共振隧穿器件较大的电阻变化量。这样就可以把微弱的加速度信号转化为一个较强的电学信号，通过对此电阻变化量的检测并经过换算就可以得到相应的加速度值。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解，在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

针对该发明，要突出在结构上与以前已申请专利不同点。

Claims (6)

1.一种介观压阻效应微加速度计，其特征在于，包括：

键合基板，键合基板上制作有为敏感质量块提供运动空间的底槽；

加速度敏感体，所述的加速度敏感体设在键合基板的上方，并与键合基板粘结牢固,且加速度敏感体包括：

敏感质量块，对应设在键合基板底槽上方；

组合梁，用于连接敏感质量块和支撑框体；

支撑框体，通过组合梁与敏感质量块连接，对敏感质量块起到支撑作用；

共振隧穿器件，作为微加速度计的敏感部件，设在组合梁的检测梁根部。

2.根据权利要求1所述的微加速度计，其特征在于：所述键合基板上制作有底槽，敏感质量块可在底槽内上下、左右、前后运动。

3.根据权利要求1所述的微加速度计，其特征在于：所述敏感质量块，呈正方形，四边中心位置通过组合梁与支撑框体相连接。

4.根据权利要求1所述的微加速度计，其特征在于：所述组合梁由检测梁、连接块、横向缓冲梁三部分组成，且正交回折形的组合梁有利于减小横向干扰，组合梁的检测梁根部设有共振隧穿器件。

5.根据权利要求1所述的微加速度计，其特征在于：所述支撑框体为一正方形中空框体，通过组合梁对敏感质量块起到支撑作用。

6.根据权利要求1所述的微加速度计，其特征在于：所述的共振隧穿器件，是在衬底层上制作绝缘层，然后绝缘层上制作具有介观压阻效应的共振隧穿材料薄膜层，共振隧穿材料薄膜层的两端分别连接有共振隧穿器件正极、共振隧穿器件负极；共振隧穿器件通过共振隧穿器件引线电极与外部电路连接。

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