基於熱流能同時測量角速度和的加速度的陀螺儀的製作方法

2023-12-11 18:17:52

基於熱流能同時測量角速度和的加速度的陀螺儀的製作方法
【專利摘要】本發明涉及一種基於熱流能同時測量角速度和的加速度的陀螺儀，具有一個用於測量三軸角速度的角速度計，一個用於測量二軸的加速度的加速度計，一個壓電泵，所述角速度計和加速度計的矽晶片四周設有用於氣體流動的通道，壓電泵置於矽泵槽中，壓電泵的上、下面設有TBN光刻膠層，用於密封壓電泵中的氬氣。本發明與現有的氣體陀螺儀相比，增加了用於測量加速度的氣體加速度傳感器，從而可以在測量各個方向的角速度的同時可以測量施加的加速度，擴大了測量範圍，同時，可以方便的與集成電路集成，並降低了成本。
【專利說明】基於熱流能同時測量角速度和的加速度的陀螺儀

【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種微機電【技術領域】的傳感器，基於熱對流原理，使用MEMS技術加 工，在能夠測量任意方向上的角速度的同時還可以測量兩個方向上的加速度的陀螺儀。

【背景技術】
[0002] 陀螺儀能夠測量沿一個軸或幾個軸運動的角速度，是補充MEMS加速計功能的理 想技術。事實上，如果組合使用加速計和陀螺儀這兩種傳感器，系統設計人員可以跟蹤並捕 捉三維空間的完整運動，為最終用戶提供現場感更強的用戶使用體驗、精確的導航系統以 及其它功能。
[0003]熱對流陀螺儀利用氣體流速方向在哥氏加速度作用下發生偏轉的原理，採用微機 械加工技術，用氣體作為敏感元件取代了傳統微陀螺儀的檢驗質量，敏感外界輸入角速度 的變化，並將其轉化為氣流方向的偏移，通過一對或多對對稱布置的熱敏器件檢測溫度的 變化來測量出輸入角速度的大小。
[0004] MEMS陀螺儀具有體積小、重量輕、可靠性高、功耗低、易於數位化和智能化等一系 列優點，已在航空、航天、航海、汽車、生物醫學和環境監控等領域得到了應用。MEMS陀螺 儀可為各種消費類電子產品，如手機、照/攝相機增值，增加圖像穩定性、提供步行導航 並改進用戶界面。
[0005] 對於可測量任意方向角速度的氣體陀螺儀構造和製備技術，專利號（ZL 200910049876. 4)中公開了。結構包括壓電泵，噴嘴，含金屬電阻絲的矽晶片和兩個TBN光 刻膠層構成。工作氣體選擇氬氣。通過氬氣的循環的控制，通過對設置的三對金屬電阻絲 所構成的惠斯通電橋產生影響，從而測量到各個方向的角速度。
[0006]對於測量加速度的MEMS加速度計也有相關文獻闡述其工作原理及設計。呂樹海 等人在《微納電子技術》2008年4月第45卷第4期上發表"新型三軸MEMS熱對流加速度 傳感器的研究"一文中介紹了一種基於熱流原理的新型三軸MEMS熱對流加速度傳感器。 該傳感器由三層結構組成，上層和下層結構相似，分布著Z軸方向上與加熱器等距離的兩 對溫度傳感器，中間層是一個雙軸熱對流加速度傳感器，中間是加熱器，在X和Y方向 上等距離對稱分布著四對溫度傳感器。三層結構均採用矽材料，每層結構上都設有懸梁， 溫度傳感器和加熱器附著在懸梁上，經過腐蝕和鍵合工藝後形成一個矽腔體。加熱結構位 於腔體中心位置，用於加熱矽腔體內的氣體產生對流場。當受到加速度時對流氣體和溫度 場發生變化，從而引起溫度傳感器的變化，溫度傳感器的信號傳送給處理電路，經過處 理電路的處理，輸出加速度信號。
[0007]以上兩種裝置的缺點在於只能實現單一測量加速度或角速度的功能。要想同時獲 得加速度和角速度信息，則至少需要兩種傳感器組合使用。


【發明內容】

[0008]本發明針對現有技術的不足，提出一種基於熱流的可同時測量三軸角速度和二軸 (X，Y方向)加速度的氣體陀螺儀，該陀螺儀可完全使用MEMS體矽工藝實現，成本較低，同時 該陀螺儀相當於實現了傳統陀螺儀和加速度計的組合功能並能夠集成在集成電路板上。
[0009] 本發明是通過以下技術方案實現的：一種基於熱流能同時測量角速度和的加速度 的陀螺儀，具有一個用於測量三軸角速度的角速度計，一個用於測量二軸的加速度的加速 度計，一個壓電泵，所述角速度計和加速度計的矽晶片四周設有用於氣體流動的通道，壓電 泵置於矽泵槽中，壓電泵的上、下面設有TBN光刻膠層，用於密封壓電泵中的氬氣。
[0010] 所述矽晶片是金屬電阻絲的載體，由金屬絲構成惠斯通電橋。所述金屬絲電阻材 料為鉬。所述陀螺儀工作氣體為氬氣。
[0011] 本發明的有益效果是： 本發明和現有的氣體陀螺儀相比，增加了用於測量加速度的氣體加速度傳感器，從而 可以在測量各個方向的角速度的同時可以測量施加的加速度，擴大了測量範圍，同時，可以 方便的與集成電路集成，並降低了成本。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0012] 圖1是本發明的結構示意圖。

【具體實施方式】
[0013] 下面結合附圖給本發明的實施例作詳細說明： 如圖1所示，一種基於熱流能同時測量角速度和的加速度的陀螺儀，由壓電泵1，噴嘴 2,含多對金屬電阻絲的角速度計3和加速度計4的矽晶片構成，採用MEMS技術，矽晶片四 周有設計好的通道用於氣體流動，壓電泵1置於矽泵槽中，兩個TBN光刻膠層分別位於壓電 泵1的上面和下面，用於密封壓電泵1中的氬氣。
[0014]其中： 圓形陀螺儀整體長度為26MM。晶片的尺寸大小為：6X6X0. 4mm3。壓電泵1的振動 頻率為7KHz。金屬電阻絲的材料為鉬，電阻溫度係數為0.00374/t：。加速度計4所用金屬 電阻絲的結構參數為：200X12X4. 5um3(LXWXT)。角速度計3所用金屬電阻絲的結構參 數為：400X10X2. 5um3(LXWXT)。陀螺儀在用TBN密封膠之前需充滿氬氣。
[0015] 上述結構的陀螺儀製造過程如下： 1)在300μ?ι厚的矽片正反面沉積二氧化矽層,作為絕緣層。
[0016] 2)再在正面的二氧化矽層上沉積一層〇.3|〇ιι厚的金屬鉬，並用剝離工藝對鉬層進 行圖形化，同時對矽片背面的二氧化矽層進行光刻。
[0017] 3)對TBN光刻膠層進行圖形化，並且與矽片的背面進行鍵合。
[0018] 4)採用ICP-DRIE工藝對矽片進行刻蝕，形成金屬電阻絲結構和氣流通道。
[0019] 5)最後，用另一個TBN光刻膠層密封製作好的娃晶片，同時在TBN光刻膠層的槽中 安裝PZT壓電泵。
[0020] 本發明工作過程： (1)打開壓電泵1和電路，工作十分鐘左右，待陀螺儀中氬氣沿兩個通道循環穩定，並 且通電的金屬電阻絲3、4溫度也達到穩定後，分別測出無角速度和無加速度時的輸出電 壓。
[0021] (2)當外界有角速度(加速度）時，陀螺儀中氣流會發生偏轉，流過發熱的金屬電阻 絲3的氣流大小也會不同，這樣氣流對金屬電阻絲3的冷卻效果不同，有的電阻絲冷卻快， 與其配成一對的另一個電阻絲就會冷卻慢，金屬電阻絲的電阻阻值不在相等，惠斯通電橋 不平衡，輸出電壓會發生變化，待輸出電壓穩定後，測出此時的輸出電壓。可通過輸出電壓 的變化得知三對金屬電阻絲電阻的變化，進而得到每對金屬電阻絲的溫度變化，從而得出 氣流的偏移量以及偏移方向，最後得出外加角速度的大小以及方向並同時得到兩個方向上 的加速度大小。
[0022] 本發明工作時，每次檢測角速度及加速度之前，首先給惠斯通電橋上的三對金屬 電阻絲和兩個氣體加速度計通電，電阻絲通電後溫度升高，打開陀螺儀末端的壓電泵，使氬 氣在陀螺儀中穩定的循環流動：受到壓力作用，氬氣從泵中噴出，沿著陀螺儀設計的管道流 動，途中氣體會均勻噴過三對加速度計和兩個氣體加速度計。氣流對金屬電阻絲的冷卻效 果相同，每對金屬電阻絲溫度及電阻相同，惠斯通電橋平衡。外界施加角速度時和加速度 時，氣流方向會受到哥氏加速度的影響而發生偏轉，造成對金屬電阻絲的不同冷卻，對稱放 置的金屬電阻絲的阻值不相同，電橋不再平衡，通過測量電橋的輸出電壓即可計算出電阻 變化量，從而得到外界的角速度和加速度。
【權利要求】
1. 一種基於熱流能同時測量角速度和的加速度的陀螺儀，具有一個用於測量三軸角速 度的角速度計（3)，一個用於測量二軸的加速度的加速度計（4)，一個壓電泵（1 )，其特徵在 於：所述角速度計（3)和加速度計（4)的矽晶片四周設有用於氣體流動的通道，所述壓電泵 (1)置於矽泵槽中，壓電泵（1)的上、下面設有TBN光刻膠層，用於密封壓電泵中的氬氣。
2. 根據權利要求1所述的所述基於熱流能同時測量角速度和的加速度的陀螺儀，其特 徵在於：所述矽晶片是金屬電阻絲的載體，由金屬絲構成惠斯通電橋。
3. 根據權利要求2所述的所述基於熱流能同時測量角速度和的加速度的陀螺儀，其特 徵在於：所述金屬絲電阻材料為鉬。
4. 根據權利要求1-3任一項所述的所述基於熱流能同時測量角速度和的加速度的陀 螺儀，其特徵在於：所述陀螺儀工作氣體為氬氣。
【文檔編號】G01P15/12GK104482929SQ201410666373
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2014年11月20日 優先權日:2014年11月20日
【發明者】李以貴, 王歡 申請人:上海應用技術學院