丁希聰， 李孟委， 秦世洋

(1. 中北大學 微系統(tǒng)集成研究中心， 山西 太原 030051； 2. 中北大學 儀器與電子學院， 山西 太原 030051；3. 中北大學 儀器科學與動態(tài)測試重點實驗室， 山西 太原 030051)

0 引 言

MEMS陀螺具有小體積、 低功耗、 批量制作的優(yōu)勢， 可應用于消費電子、 工業(yè)控制、 慣性導航、 軍事等諸多領域[1-4]. MEMS陀螺的核心是對微弱哥氏力引起的微位移或微應力進行高靈敏檢測.

本文設計了一個基于隧道磁阻效應的面內檢測的微陀螺結構， 隧道磁阻效應是基于第四代磁傳感技術， 其產生機理是自旋相關的隧穿效應， 具有高靈敏、 低噪聲、 高分辨率、 小體積的優(yōu)勢[11-14]. 本文將隧道磁阻應用于微陀螺中， 來實現微弱柯氏力檢測， 主要對微陀螺結構靈敏度進行設計， 完成了微陀螺結構設計、 工藝加工及測試， 最終得到微陀螺結構靈敏度， 為高靈敏的隧道磁阻微陀螺檢測技術提供了理論支持.

1 隧道磁阻微陀螺工作原理

隧道磁阻微陀螺結構示意圖如圖 1 所示， 其工作原理為： 在微陀螺結構驅動質量塊左右側分別布置有驅動導線和驅動反饋導線， 驅動導線和驅動反饋導線下設置有驅動磁體， 當在驅動導線上通入交變驅動電流時會產生安培力， 帶動微陀螺質量塊沿驅動方向(X軸)產生往復振動， 驅動反饋導線輸出反饋信號； 當Z軸有角速率輸入時， 由于科氏力效應， 敏感質量塊會帶動上方的隧道磁阻器件沿檢測方向(Y軸)運動， 致使隧道磁阻器件與固定在基板上的檢測磁體位置發(fā)生相對變化， 當隧道磁阻器件敏感到的空間磁場變化時， 自身阻值會發(fā)生劇烈改變， 通過檢測隧道磁阻器件的阻值變化來得到輸入角速率信號.

圖 1 隧道磁阻微陀螺工作原理示意圖Fig.1 Schematics of the tunneling magnetoresistance gyroscope

2 隧道磁阻微陀螺動力學分析

微陀螺的振動質量塊在沿X方向驅動力的作用下在驅動方向諧振， 當沿Z方向有角速率信號輸入時， 振動質量塊在哥氏力作用下在Y方向做簡諧振動. 微陀螺的簡化模型為兩個方向的二階系統(tǒng)， 其振動方式近似為： 彈簧-質量塊-阻尼系統(tǒng)基于外力作用下的振動過程. 簡化模型如圖 2 所示.

圖 2 微陀螺的動力學簡化模型圖Fig.2 Dynamic model of micro-gyroscope

微陀螺的動力學方程可描述為[15]

(1)

(2)

式中：F0是電磁驅動力；ω為驅動力的角頻率；mx,my分別為驅動模態(tài)質量和檢測模態(tài)質量；kx,ky分別為驅動模態(tài)剛度和檢測模態(tài)剛度；cx,cy分別為驅動模態(tài)阻尼和檢測模態(tài)阻尼；Ω是所輸入的角速率.

為了對微陀螺結構運動特性進行直觀分析， 將式(1)， 式(2)變化得

(3)

(4)

分別求解微分方程式(3)和式(4)， 得到微陀螺在驅動模態(tài)和檢測模態(tài)的振動位移表達式為

(5)

(6)

隧道阻微陀螺結構靈敏度計算公式為

(7)

當驅動模態(tài)和檢測模態(tài)頻率匹配時， 根據式(5)， 式(6)， 隧道磁阻微陀螺結構靈敏度計算公式可簡化為

(8)

3 隧道磁阻微陀螺靈敏度設計

根據隧道磁阻微陀螺原理以及其系統(tǒng)構成， 將隧道磁阻微陀螺的靈敏度分為三部分， 結構靈敏度、 磁場靈敏度和磁阻靈敏度， 隧道磁阻微陀螺總靈敏度為三者的乘積， 具體靈敏度分解如圖 3 所示. 本文主要對隧道磁阻微陀螺結構靈敏度進行詳細介紹.

圖 3 隧道磁阻陀螺靈敏度分解圖Fig.3 Distribution of the sensitivity

靈敏度之間的關系為

S=S1×S2×S3.

(9)

所設計隧道磁阻微陀螺結構如圖 4 所示， 微陀螺結構尺寸參數如表 1 所示.

圖 4 微陀螺結構示意圖Fig.4 The structure of micro-gyroscope

表 1 所設計微陀螺關鍵參數Tab.1 Key parameters of the micromachined gyroscope designed

用有限元軟件ANSYS對微陀螺結構進行模態(tài)仿真， 求得固有頻率和振型. 微陀螺驅動和檢測模態(tài)仿真結果如圖 5 所示， 可知驅動模態(tài)諧振頻率為6 851 Hz， 檢測模態(tài)諧振頻率為6 859 Hz.

圖 5 微陀螺諧振模態(tài)分析Fig.5 Resonance mode analysis of the micro-gyroscope

對微機械陀螺的幅頻特性進行設計仿真， 在微陀螺驅動方向施加5 μN的電磁驅動力， 沿Z軸輸入1 °/s的角速率， 根據表 1， 式(5)和式(6)， 理論計算得到微陀螺驅動方向位移為5.41×10-6m， 檢測方向位移為1.07×10-7m， 代入式(7) 得到微陀螺結構靈敏度為107 nm/°/s.

在ANSYS中仿真得到驅動方向幅頻響應曲線如圖 6(a) 和檢測方向幅頻響應曲線如圖 6(b)， 由圖可知， 驅動方向位移幅值為5.41×10-6m， 檢測方向位移幅值為1.62×10-7m， 仿真得的微陀螺的結構靈敏度為162 nm/°/s.

圖 6 微陀螺諧響應幅頻分析Fig.6 Harmonic response amplitude-frequency analysis of the micro-gyroscope

4 隧道磁阻微陀螺結構加工及測試

4.1 隧道磁阻微陀螺工藝加工

對微陀螺結構進行了工藝加工， 加工工藝流程如圖 7 所示.

圖 7 隧道磁阻陀螺結構加工工藝Fig.7 The processing technology of the tunneling magnetoresistance micro-gyroscope structure

首先在雙拋的(100)單晶硅片上沉積一層SiO2， 制作絕緣層； 然后磁控濺射Cu制備種子層， 光刻后電鍍Cu、 Au， 制作驅動導線； 采用濕法腐蝕(HF溶液)去除種子層， 再光刻圖形化正面結構， RIE去除硅片上的SiO2， 然后再DRIE刻蝕Si， 得到微陀螺正面結構； 最后背面涂膠光刻， DRIE釋放微陀螺結構. 微陀螺加工實物圖如圖 8 所示.

圖 8 隧道磁阻陀螺結構加工實物圖Fig.8 Photograph of the tunneling magnetoresistance micro-gyroscope structure

4.2 隧道磁阻微陀螺結構測試

對所加工制作的微陀螺進行驅動頻率和檢測頻率測試， 在微陀螺驅動方向和檢測方向分別加載敲擊力， 產生沖擊信號， 沖擊信號包含所有頻譜， 微陀螺的質量塊會在驅動模態(tài)和檢測模態(tài)固有頻率處自由振動， 微陀螺結構上表面驅動導線在磁場中運動切割磁力線產生動生電動勢， 該信號經檢測放大電路與示波器相連接， 驅動和檢測方向測試結果如圖 9 所示.

圖 9 微陀螺敲擊測試Fig.9 Tap testing of the fabrication micro-gyroscope structure

在Matlab中對驅動和檢測方向測試數據進行時域信號輸出、 再經頻域轉換、 傅里葉及希爾伯變換， 結果如圖 10 所示. 在沖擊信號作用下， 陀螺發(fā)生了諧振， 證明驅動和檢測方向能夠運動， 且驅動和檢測方向諧振頻率分別為6 853 Hz和6 854 Hz， 與仿真結果基本一致.

圖 10 微陀螺驅動和檢測模態(tài)諧振頻率波形Fig.10 Resonance frequency curve of the micro-gyroscope structure drive mode and sense mode

對驅動方向和檢測方向的諧振頻率波形進行濾波， 濾波結果如圖 11 所示. 在6 853 Hz中心頻率時， 根據半波法[16]得到驅動方向上的Qx值為571.1； 在6 854 Hz中心頻率時， 根據半波法得到檢測方向上的Qy值為527.3.

結構靈敏度由式(9)計算得到

所加工制作的微陀螺結構諧振頻率與理論設計的頻率基本一致， 但結構靈敏度有所降低， 經分析可能是由于大氣環(huán)境下空氣阻尼的影響， 導致Q值降低， 致使所加工的微陀螺結構靈敏度下降.

圖 11 微陀螺諧振頻率處濾波后波形Fig.11 Fitered curve of the micro-gyroscope at resonance frequency

5 結 論

本文采用隧道磁阻效應對微陀螺進行檢測， 完成了微陀螺結構設計、 加工及測試， 得到微陀螺驅動方向和檢測方向諧振頻率分別為6 853 Hz和5 854 Hz， 與理論仿真基本一致. 然后采用半波法得到在大氣環(huán)境下微陀螺結構驅動方向Q值為571.1， 檢測方向Q值為527.3. 結果顯示所加工的微陀螺頻率匹配良好， 結構靈敏度達到15.3 nm/°/s. 本文主要對微陀螺結構靈敏度進行了分析， 下一步將進行微陀螺磁場靈敏度和磁阻靈敏度設計及測試， 實現隧道磁阻陀螺的集成組裝， 為微陀螺的高靈敏檢測提供了一種可能途徑， 對提高微機械陀螺的檢測精度具有重要意義.