基于共振隧穿微结构的GaAs基加速度计

　　0　引言

　　微加速度计主要用来测量载体的加速度,并可通过积分,提供速度和位移的信息,还可以和微型陀螺仪组合,构成微型惯性测量单元(MIMU)。微加速度计具有体积小、质量轻、成本低、功耗低、可靠性好等优点,它可以广泛地运用于航空航天、汽车工业、工业自动化及机器人等领域[1-2],具有广阔的应用前景。

　　目前,微加速度计的研究主要集中在硅材料范围,但是由于硅材料本身的限制,用硅制作的加速度计很难圆满解决零点漂移、灵敏度、线性度、抗干扰等问题[3]。由于GaAs/AlAs/In0.1Ga0.9As共振隧穿微结构具有比硅材料更高的灵敏度[4],更低的温度漂移系数,所以主要研究基于该结构的GaAs基加速度计,设计出具有更高灵敏度、更高的线性度、更低零点漂移、更低温漂的微加速度计。

　　1　共振隧穿微结构

　　GaAs基的GaAs/AlAs/In_0.1Ga_0.9As共振隧穿微结构和尺寸如表1所示,其中GaAs/In_0.1Ga_0.9As/GaAs量子阱和窄的AlAs势垒的设计能够极大地提高共振隧穿微结构的峰谷比,同时也能极大提高共振隧穿微结构的压阻系数。

　　2　GaAs基加速度计的设计

　　2.1　结构与工作原理

　　该加速度计没有直接检测加速度,而是把加速度信号转化为电流信号来测量,这种通过电信号间接测量加速度的方法,

　　既解决了直接获取加速度信号的难题,又有利于通过电信号实现加速度的高精度测量,其电学敏感单元为基于GaAs/AlAs/In_0.1Ga_0.9As的共振隧穿微结构。依托共振隧穿微结构的高灵敏度,同时考虑到GaAs较低的机械强度及工艺的可行性,设计了质量块-四梁结构。图1为其结构示意图。

　　共振隧穿微结构分别位于4个梁的根部,微结构的电极(发射极、集电极)通过空气桥连接到基座上(双空气桥工艺),以备封装时引线。对该微结构施加偏压,在没有外界加速度输入的情况下,由于没有形变,其电流为恒定值。当在Z轴方向有加速度输入时,质量块在惯性力的作用下,使梁发生形变,从而引起共振隧穿微结构应力变化,进而引起微结构中电流的变化,通过电路检测出电流的变化就可换算出加速度的值。

　　2.2　力学特性分析

　　当被测加速度作用于质量块m时,质量块产生的惯性力施加在弹性梁上,弹性梁因此产生变形。根据材料力学理论,四边梁上距固支点距离为x的点上的应力为[5]

　　式中:h为梁的厚度;l为梁长;b为梁宽;a为x点处对应的加速度。