褚偉航,李孟委*,吳承根,王 賓(1.中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗室,太原030051;2.中北大學(xué)儀器與電子學(xué)院,太原030051;3.中北大學(xué)微系統(tǒng)集成研究中心,太原030051)
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常壓封裝下隧道磁阻微陀螺的高靈敏結(jié)構(gòu)設(shè)計*
褚偉航1,2,3,李孟委1,2,3*,吳承根1,2,3,王賓1,2,3
(1.中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗室,太原030051;2.中北大學(xué)儀器與電子學(xué)院,太原030051;3.中北大學(xué)微系統(tǒng)集成研究中心,太原030051)
摘要:針對現(xiàn)有微陀螺難以實(shí)現(xiàn)常壓封裝下高靈敏檢測的難題,設(shè)計了兩種應(yīng)用隧道磁阻效應(yīng)檢測的微陀螺結(jié)構(gòu),分別采用面內(nèi)檢測與離面檢測,本文從阻尼與檢測磁場兩方面對二者性能進(jìn)行分析。首先通過對二者阻尼的計算,得到常壓下面內(nèi)檢測結(jié)構(gòu)的靈敏度為35.18 nm/(°/s),離面檢測結(jié)構(gòu)的靈敏度為3.19 nm/(°/s),面內(nèi)結(jié)構(gòu)比離面結(jié)構(gòu)的靈敏度高約10倍,從阻尼方面考慮,采用面內(nèi)檢測的結(jié)構(gòu)更優(yōu);其次設(shè)計了應(yīng)用于兩種結(jié)構(gòu)中的檢測磁場,得到了面內(nèi)檢測磁場相比于離面檢測磁場具有更高的磁場變化率,更好的磁場一致性,從磁場方面考慮,同樣得到面內(nèi)檢測的微陀螺結(jié)構(gòu)更優(yōu)。因此,應(yīng)用面內(nèi)檢測結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)隧道磁阻微陀螺在常壓下的高靈敏檢測。
關(guān)鍵詞:MEMS陀螺;隧道磁阻效應(yīng);高Q值;結(jié)構(gòu)靈敏度
項目來源:國家自然科學(xué)基金項目(61571405);基金項目(62201070516);山西省攻關(guān)項目(20130322005-04)
微機(jī)械陀螺的核心技術(shù)是由柯氏效應(yīng)引起的微應(yīng)力或微位移的高精度檢測。隨著微機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的成熟,微機(jī)械陀螺由于其成本低、體積小、易批量化生產(chǎn)以及易集成等優(yōu)點(diǎn),在民用及國防領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1-2]。清華大學(xué)[3]于2015年研制了一種低機(jī)械噪聲電容式微機(jī)械陀螺敏感結(jié)構(gòu),它采用面內(nèi)檢測方式,封裝條件為常壓封裝(1×105Pa),檢測模態(tài)品質(zhì)因數(shù)測試值為66;西北工業(yè)大學(xué)[4]于2014年研制了一款低噪聲電容式微機(jī)械陀螺,也是采用面內(nèi)檢測方式,在真空2 000 Pa的壓力下,檢測模態(tài)品質(zhì)因數(shù)測試值為400??梢娢C(jī)械陀螺通過真空封裝的方法可以提高其品質(zhì)因數(shù),然而真空封裝成本昂貴,真空腔內(nèi)真空度保持時間較短,限制了微機(jī)械陀螺的發(fā)展與性能提升[5-6]。此外,電容式微陀螺通常采用梳齒結(jié)構(gòu)對微陀螺進(jìn)行驅(qū)動和檢測,因此一般采用面內(nèi)檢測方式可以實(shí)現(xiàn)梳齒電容變面積或變間距檢測。然而采用梳齒結(jié)構(gòu)檢測時,梳齒有效面積大對應(yīng)的阻尼也很大,使得Q值小,進(jìn)而導(dǎo)致微陀螺的靈敏度較低,因此梳齒電容式微陀螺通常采用真空封裝[7-8],而這又會增加器件研發(fā)成本。因此,設(shè)計一種能夠在常壓封裝下實(shí)現(xiàn)高Q值、高靈敏的微機(jī)械陀螺結(jié)構(gòu)是目前要解決的關(guān)鍵問題。
為了解決上述問題,本文設(shè)計了一種應(yīng)用隧道磁阻效應(yīng)檢測的高靈敏微機(jī)械陀螺結(jié)構(gòu),利用隧道磁阻對磁場的高靈敏特性,將其應(yīng)用于微機(jī)械陀螺中,提高微機(jī)械陀螺結(jié)構(gòu)在常壓下的靈敏度與Q值。
1.1隧道磁阻微陀螺的檢測原理
檢測磁場的敏感方向不同,對應(yīng)隧道磁阻微陀螺的檢測原理也不同。本文中設(shè)計了兩種適用于隧道磁阻微陀螺的結(jié)構(gòu),其中離面檢測結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示,面內(nèi)檢測結(jié)構(gòu)的原理圖如圖2所示。
圖1 離面檢測隧道磁阻微陀螺原理圖
圖2 面內(nèi)檢測隧道磁阻微陀螺原理圖
離面檢測微陀螺結(jié)構(gòu)的工作原理為:當(dāng)在Y軸輸入角速率信號時,微機(jī)械陀螺在的柯氏力的作用下,質(zhì)量塊帶動磁體沿Z方向運(yùn)動,遠(yuǎn)離或靠近磁敏電阻,二者垂直距離發(fā)生變化,使磁敏電阻敏感到的磁場發(fā)生變化,磁場變化引起磁敏電阻中電流發(fā)生變化,從而導(dǎo)致磁敏電阻的阻值發(fā)生劇烈變化,通過測量阻值變化能夠?qū)崿F(xiàn)對微弱柯氏力的檢測。其中,磁阻變化與磁場變化成幾何數(shù)增長[9],而磁場變化與間距變化成指數(shù)關(guān)系,所以磁阻效應(yīng)對位移的變化極其靈敏。
面內(nèi)檢測微陀螺的工作原理為:當(dāng)在Z軸輸入角速率信號時,微機(jī)械陀螺在的柯氏力的作用下,質(zhì)量塊帶動磁體沿Y方向運(yùn)動,相對磁敏電阻平動,二者水平距離發(fā)生了變化,使磁敏電阻敏感到的磁場發(fā)生變化,磁場變化引起磁敏電阻中電流發(fā)生變化,從而導(dǎo)致磁敏電阻的阻值發(fā)生劇烈變化,通過測量阻值變化能夠?qū)崿F(xiàn)對微弱柯氏力的檢測。
1.2磁阻微陀螺的結(jié)構(gòu)方案
通過深入研究現(xiàn)有微機(jī)械陀螺的結(jié)構(gòu),結(jié)合本文中微機(jī)械陀螺的檢測原理,提出微陀螺結(jié)構(gòu)的兩種設(shè)計方案如圖3所示。
圖3 隧道磁阻微陀螺結(jié)構(gòu)設(shè)計方案
1.2.1陀螺尺寸初始化
根據(jù)陀螺結(jié)構(gòu)特征如圖2所示,我們要設(shè)計的參數(shù)包括,質(zhì)量塊的長、寬、厚,驅(qū)動梁的長、寬、厚,檢測梁的長、寬、厚,以及質(zhì)量塊在X方向和Z方向運(yùn)動的間隙。而這些參數(shù)受兩個條件的約束,一是工藝條件的約束,二是陀螺性能指標(biāo)的約束。因此對陀螺結(jié)構(gòu)的設(shè)計,就是在考慮工藝條件的情況下,對陀螺性能指標(biāo)的設(shè)計。
利用ANSYS軟件的優(yōu)化設(shè)計完成對微陀螺結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。在優(yōu)化過程中主要優(yōu)化微陀螺驅(qū)動模態(tài)頻率與檢測模態(tài)頻率,使二者盡可能匹配,從而達(dá)到提高微陀螺靈敏度的目的。以微陀螺的體積為目標(biāo)函數(shù),驅(qū)動梁、檢測梁的尺寸為設(shè)計變量,模態(tài)頻率為狀態(tài)變量完成了微陀螺的結(jié)構(gòu)優(yōu)化,優(yōu)化后的微陀螺結(jié)構(gòu)參數(shù)如下表所示,其中表1為離面結(jié)構(gòu)微陀螺優(yōu)化后尺寸,表2為面內(nèi)結(jié)構(gòu)微陀螺優(yōu)化后尺寸。
表1 離面結(jié)構(gòu)微陀螺結(jié)構(gòu)尺寸 單位:μm
表2 面內(nèi)結(jié)構(gòu)微陀螺結(jié)構(gòu)尺寸 單位:μm
2.1大氣壓下驅(qū)動方向阻尼計算模型
離面結(jié)構(gòu)與面內(nèi)結(jié)構(gòu)在驅(qū)動方向的阻尼組成部分相同。驅(qū)動方向上作用在質(zhì)量塊上的阻尼力由四部分組成:質(zhì)量塊與底板間的滑膜阻尼;質(zhì)量塊左右側(cè)面與固定框架間的壓膜阻尼;質(zhì)量塊前后側(cè)面與固定框架間的滑膜阻尼;熱彈性阻尼。其中,質(zhì)量塊與底板間的滑膜阻尼為主要阻尼。驅(qū)動方向阻尼構(gòu)成,如圖4所示。
圖4 質(zhì)量塊驅(qū)動方向阻尼分布圖
滑膜阻尼的計算公式為:
其中,μ為氣體的粘滯系數(shù),A為有效面積,d為質(zhì)量塊與底板之間的距離。
壓膜阻尼的計算公式為:
其中,μ為氣體的粘滯系數(shù),A為有效面積,dx為質(zhì)量塊與外框之間的距離,W為外框的寬,L為外框的邊長。
熱彈性阻尼品質(zhì)因數(shù)的倒數(shù)[10]為:
求解得到熱彈性阻尼為:
2.2大氣壓下檢測方向阻尼計算模型
2.2.1離面結(jié)構(gòu)檢測方向阻尼
在檢測方向上作用在檢測質(zhì)量塊上的阻尼力由三部分組成:檢測質(zhì)量塊與底板間的壓膜阻尼;質(zhì)量塊前后側(cè)面、左右側(cè)面與框架間的滑膜阻尼;熱彈性阻尼。在這3部分阻尼中,檢測質(zhì)量塊與底板間的壓膜阻尼為主要阻尼,滑膜阻尼與熱彈性阻尼與驅(qū)動方向的阻尼計算方法相同。
圖5 質(zhì)量塊檢測方向阻尼分布圖
通孔薄板壓膜阻尼可分為三部分,如圖5所示,其中區(qū)域1和區(qū)域2為通孔薄板阻尼,區(qū)域3為普通矩形板阻尼。
區(qū)域3的阻尼可按照公式(2)所示方法進(jìn)行計算,區(qū)域1、區(qū)域2中阻尼可通過下述方法進(jìn)行計算:
以區(qū)域1阻尼計算為例,區(qū)域1上的阻尼系數(shù)[11]:
其中,rc=1/,K(η)=-η4+4η2-4lnη-3,A1eff為質(zhì)量塊與底板交疊的有效面積,h為質(zhì)量塊與底板間距。
考慮到區(qū)域1的邊緣效應(yīng)時,將該通孔薄板等效為普通矩形板得到的壓膜阻尼系數(shù):
區(qū)域1總的壓膜阻尼為:
應(yīng)用區(qū)域1同樣的方法計算得到區(qū)域2壓膜阻尼系數(shù),此處不再贅述。
2.2.2面內(nèi)結(jié)構(gòu)檢測方向阻尼
面內(nèi)結(jié)構(gòu)在檢測方向上作用在內(nèi)嵌質(zhì)量塊上的阻尼力由四部分組成:內(nèi)嵌質(zhì)量塊與底板間的滑膜阻尼;內(nèi)嵌質(zhì)量塊前后側(cè)面與驅(qū)動質(zhì)量塊間的壓膜阻尼;內(nèi)嵌質(zhì)量塊左右側(cè)面與驅(qū)動質(zhì)量塊間的滑膜阻尼;熱彈性阻尼。在這4部分阻尼中,內(nèi)嵌質(zhì)量塊與底板間的滑膜阻尼為主要阻尼,與驅(qū)動方向阻尼計算方法相同。
圖6 質(zhì)量塊檢測方向阻尼分布圖
2.3各種阻尼計算對比
綜合上述阻尼算法分析,代入數(shù)值可以求得兩種結(jié)構(gòu)的阻尼結(jié)果,通過阻尼得到品質(zhì)因數(shù)如表3所示。
表3 品質(zhì)因數(shù)計算結(jié)果
其中Qx、Qy分別表示驅(qū)動模態(tài)與檢測模態(tài)的品質(zhì)因數(shù),Sy、Sz分別表示面內(nèi)檢測結(jié)構(gòu)與離面檢測結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)靈敏度。離面檢測結(jié)構(gòu),檢測方向阻尼主要為壓膜阻尼。采用面內(nèi)檢測的結(jié)構(gòu),驅(qū)動與檢測模態(tài)空氣阻尼均為滑膜阻尼。阻尼對面內(nèi)檢測結(jié)構(gòu)的影響沒有對離面檢測結(jié)構(gòu)的影響大,因此,從阻尼方面考慮,采用面內(nèi)檢測的結(jié)構(gòu)更優(yōu),適用于低成本封裝。
以上完成了從阻尼角度對結(jié)構(gòu)方案選擇的分析,下面介紹從檢測磁場方面對結(jié)構(gòu)方案選擇的具體研究內(nèi)容。
離面檢測結(jié)構(gòu),隧道磁敏電阻附著于質(zhì)量塊表面,隨質(zhì)量塊上下振動,與檢測磁場在垂直方向發(fā)生相對位移;面內(nèi)檢測結(jié)構(gòu),磁敏電阻隨質(zhì)量塊在面內(nèi)做簡諧振動,與檢測磁場在水平方向發(fā)生相對位移。兩種微陀螺結(jié)構(gòu)敏感方向不同,因此,對應(yīng)檢測磁場的檢測方向也不同,即所需檢測磁場應(yīng)滿足應(yīng)用于離面檢測結(jié)構(gòu)時,在離面方向具有高的磁場變化率,應(yīng)用于面內(nèi)檢測結(jié)構(gòu)時,在面內(nèi)方向具有高的磁場變化率。結(jié)合蘭州大學(xué)對矩形永磁體磁場分布特性進(jìn)行的研究[12],我們發(fā)現(xiàn)矩形磁體可以滿足上述要求。圖7所示為驅(qū)動磁體與檢測磁體在微陀螺基板位置的示意圖,圖8為對檢測磁體的建模。
圖7 磁體位置示意圖
圖8 檢測磁體模型
隧道磁阻微陀螺采用電磁驅(qū)動方式,驅(qū)動磁場為勻強(qiáng),所設(shè)計的檢測磁場應(yīng)滿足:①在檢測方向上的分量具有高的磁場變化率;②在驅(qū)動方向上的分量應(yīng)為勻強(qiáng),避免對驅(qū)動磁場產(chǎn)生干擾信號。
針對上述設(shè)計目標(biāo),我們利用Ansoft軟件對矩形磁場模型進(jìn)行仿真分析,仿真結(jié)果如下,圖9所示為矩形磁體沿驅(qū)動方向(X向)的磁場分布圖,提取路徑示意圖如左上圖。圖10所示為矩形磁體沿面內(nèi)檢測方向(Y向)的磁場分布圖,提取路徑示意圖如右下圖。
圖9 面內(nèi)X方向磁場強(qiáng)度
圖10 面內(nèi)Y方向磁場強(qiáng)度
根據(jù)圖9中結(jié)果可知,檢測磁體沿驅(qū)動方向磁場除邊緣區(qū)域外,中心處磁場分布為勻強(qiáng),在驅(qū)動方向運(yùn)動時,不會對驅(qū)動磁場的信號產(chǎn)生耦合干擾,滿足設(shè)計目標(biāo)。圖10中仿真結(jié)果可以看出,沿Y方向磁場一致性好、線性度高,線性擬合得到磁場的變化率為0.04 Oe/nm,滿足檢測磁場的設(shè)計要求,接下來分析離面檢測磁場在Z向分布情況,圖11所示為磁體沿Z向提取的磁場分析路徑,圖12所示為分析結(jié)果。
圖11 離面方向磁場路徑
根據(jù)圖12中仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),雖然磁場線性度較好,但不同路徑的變化率不同,應(yīng)用受到限制,會降低微陀螺的一致性,圖中4條路徑對應(yīng)的磁場變化率最大值可達(dá)到0.022 Oe/nm。
圖12 離面方向場強(qiáng)分布
通過上述分析,我們可以發(fā)現(xiàn)從磁場角度出發(fā),面內(nèi)檢測磁場性能更好,更適合檢測,選擇面內(nèi)檢測結(jié)構(gòu)。這恰好與阻尼討論時選擇的結(jié)構(gòu)運(yùn)動方式一致,均采用面內(nèi)檢測,可實(shí)現(xiàn)微陀螺的高靈敏度。
最后利用ANSYS軟件對微陀螺結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析,得到其前四階模態(tài)如圖13所示。一階模態(tài)為驅(qū)動模態(tài),二階模態(tài)為檢測模態(tài),仿真驗證微陀螺的驅(qū)動與檢測模態(tài)的頻率匹配度很好,頻率差僅為1 Hz。
圖13微陀螺模態(tài)仿真
表4 陀螺各階頻率仿真值
在驅(qū)動方向上加載6 μN(yùn)的正弦交變力時,仿真得到驅(qū)動方向幅頻響應(yīng)曲線如圖14(a)所示,檢測方向幅頻響應(yīng)曲線如圖14(b)所示。
通過諧響應(yīng)分析得到了在微陀螺的驅(qū)動模態(tài)固有頻率5922.9 Hz處,其驅(qū)動方向位移幅值為1.386×10-5m,沿Z軸輸入1 rad/s的角速率,得到在微陀螺檢測模態(tài)固有頻率5923.6 Hz處,微陀螺檢測方向的位移幅值為3.012×10-6m。進(jìn)行頻響特性分析可以了解微陀螺驅(qū)動模態(tài)與檢測模態(tài)對結(jié)構(gòu)動態(tài)載荷的響應(yīng)情況。
圖14 磁阻微陀螺諧響應(yīng)分析
本文設(shè)計了兩種適用于隧道磁阻效應(yīng)檢測的微機(jī)械陀螺結(jié)構(gòu),通過分析微陀螺結(jié)構(gòu)的阻尼情況得到了在常壓封裝下面內(nèi)檢測結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)靈敏度相比于離面結(jié)構(gòu)的高約10倍,可以看出從阻尼方面出發(fā)面內(nèi)檢測結(jié)構(gòu)比離面檢測結(jié)構(gòu)性能好,品質(zhì)因數(shù)高。通過分析應(yīng)用于微陀螺結(jié)構(gòu)中檢測磁場的分布情況,得出了面內(nèi)檢測磁場相比于離面檢測磁場,它的磁場變化率高,一致性更好,同樣得到了應(yīng)用面內(nèi)檢測結(jié)構(gòu)更優(yōu)的結(jié)論。因此,面內(nèi)檢測結(jié)構(gòu)更適合隧道磁阻效應(yīng)微陀螺,并且我們設(shè)計的結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)常壓下微陀螺的高靈敏度檢測。
參考文獻(xiàn):
[1]張印強(qiáng),吉訓(xùn)生,楊波,等.一種全新的硅微陣列陀螺儀[J].傳感技術(shù)學(xué)報,2013,26(4):471-475.
[2]唐興剛,龍善麗,劉艷.高精度低噪聲MEMS陀螺儀電容讀出電路[J].傳感技術(shù)學(xué)報,2014,27(9):1191-1195.
[3]陳志勇,張嶸,周斌.一種低機(jī)械噪聲弱耦合的微機(jī)電陀螺敏感結(jié)構(gòu)[J].中國慣性技術(shù)學(xué)報,2015,23(3):373-378.
[4]Xie Jianbing,Shen Qiang,HaoYongcun,et al. Design,F(xiàn)abrication and Characterization of a Low-Noise Z-Axis Micromachined Gyro?scope[J]. Microsyst Technol,2014,21(3):625-630.
[5]陳德勇,曹明威,王軍波,等.諧振式MEMS壓力傳感器的制作及圓片級真空封裝[J].光學(xué)精密工程,2014,22(5):1235-1242.
[6]施芹,蘇巖,裘安萍. MEMS陀螺儀器件級真空封裝技術(shù)[J].光學(xué)精密工程,2009,17(8):1987-1992.
[7]吳學(xué)忠,劉宗林,李圣怡.微硅陀螺性能影響因素及其對策研究[J].微納電子技術(shù),2003,40(6):274-280.
[8]李小卿,常洪龍,焦文龍,等.基于杠桿的微機(jī)械陀螺結(jié)構(gòu)設(shè)計與仿真[J].微納電子技術(shù),2012,49(5):313-317.
[9]Moodera J S,Kinder L R,Nowak J,et al. Geometrically Enhanced Magnetoresistance in Ferromagnet-Insulator-Ferromagnet Tunnel Junctions[J]. Appl Phys Lett,1996,69(5):708-710.
[10]Zamanian M,Khadem S E. Analysis of Thermoelastic Damping in Microresonators by Considering the Stretching Effect[J]. In?ternational Journal of Mechanical Sciences,2010,52:1366-1375.
[11]孟光,張文明.微機(jī)電系統(tǒng)動力學(xué)[M].北京:科學(xué)出版社.
[12]茍曉凡,楊勇,鄭曉靜.矩形永磁體磁場分布的解析表達(dá)式[J].應(yīng)用數(shù)學(xué)和力學(xué),2004,25(3):271-278.
褚偉航(1989-),女,吉林松原人,中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家級重點(diǎn)實(shí)驗室在讀研究生,主要從事微納器件及系統(tǒng)方面的研究,lmwnuc@163.com;
李孟委(1975-),男,副教授,主要開展新原理MEMS慣性傳感器及導(dǎo)航研究,專注于MEMS陀螺研究,對新原理、新效應(yīng)的微納米器件創(chuàng)新設(shè)計感興趣。
High Sensitive Structure Desigin of Tunnel Magnetoresistance Microgyroscope under Atmospheric Pressure*
CHU Weihang1,2,3,LI Mengwei1,2,3*,WU Chenggen1,2,3,WANG Bin1,2,3
(1.Science and Technology on Electronic Test & Measurement Laboratory,North University of China,Taiyuan 030051,China;2.School of Instrument and Electronics,North University of China,Taiyuan 030051,China;3.Center for Microsystem Intergration North University of China,North University of China,Taiyuan 030051,China)
Abstract:In view of the sensitive of micro gyroscope is difficult to be higher when works under normal pressure packaging,two structures of micro gyroscope,using in-plane detection and out-plane detection respectively,are de?signed with the detection mechanisms of tunnel magnetoresistance. To analyze the performance of two structures,damping and detection magnetic field are considered. Firstly,damping is calculated respectively,which the sensitiv?ity of in-plane structure’s is 35.18 nm/(°/s) and the out-plane structure is 3.19 nm/(°/s) at atmospheric pressure. The former is 10 times higher than the latter,so the in-plane structure is better in the point of damping;Then the de?tection magnetic fields applying to two structures are designed,and the in-plane structure gets higher magnetic field sensitivity and better consistency compared with out-plane structure. So the in-plane structure is optimal both at the aspect of damping and detection magnetic field. Therefore,the in-plane structure of micro gyroscope based on the tunnel magnetoresistance effect can realize high sensitivity at atmospheric pressure.
Key words:MEMS gyroscope;tunnel magnetoresistance effect;high Q factor;mechanical sensitivity
doi:EEACC:723010.3969/j.issn.1004-1699.2016.03.005
收稿日期:2015-10-24修改日期:2016-01-17
中圖分類號:TH703
文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A
文章編號:1004-1699(2016)03-0332-06