一種微型熱驅動氣流陀螺及其製作方法
2023-12-03 18:43:11 2
專利名稱：一種微型熱驅動氣流陀螺及其製作方法
技術領域：
本發明涉及一種微型角速度傳感器，特別是涉及ー種微型熱驅動氣流陀螺及其製作方法。
背景技術：
微型、高性能的慣性傳感器在航空、航天、車輛、船舶、機器人等行業有廣泛的應用需求，微角速率陀螺就是其中ー員。常規微角速率陀螺採用固體質量塊振動，並採用電容等方式檢測哥氏力產生的質量塊在與驅動方向垂直方向上的運動，該設計結構複雜，有活動部件(質量塊)，需要採用複雜的矽加工エ藝，エ藝難度較大，由此帶來可靠性差，產品合格率低。基於流體的角速度傳感器以流體代替運動質量塊，不僅可以簡化傳感結構，並可以極大地提高傳感器的抗衝擊能力。基於單向射流的角速度傳感目前已經在宏觀結構中得以實現，例如專利US5107707-A。利用該專利技術公開的傳感結構進行角速度檢測時，不能去除非哥氏效應的加速度信號的影響，在有加速度存在時使得檢測無效。利用流體背向流動的角速度傳感結構則可以通過差動處理消除非哥氏效應加速度的影響，基於該種原理的角速度傳感器已有微型射流陀螺(專利號Z L0111980 2. 8)、微槽道流體角速率傳感器(專利號200410091707. 4)和微型熱流陀螺(專利號ZL01129700. X)三個專利。微型射流陀螺是利用小孔徑管道連通三個封閉腔體，驅動中間腔體上的薄膜，使得在另外兩個腔體中產生背向射流，通過檢測射流的偏轉反映角速度；微槽道流體角速率傳感器是利用在一封閉腔體頂部設置的驅動膜，驅動膜運動在腔體中產生由中心向周邊發散和收縮的流體運動，在腔體下部設置凸臺及槽道結構引導流體產生定向運動，檢測該定向運動流體在角速度作用下的偏轉以反映角速度；微型熱流陀螺是在一封閉腔體中利用熱對流和熱膨脹的原理實現流體的背向運動，通過檢測熱流的偏轉反映角速度。前兩種結構含有驅動的運動部件，結構複雜，製作難度大；第三種結構簡單，製作容易，但熱流速度較低，傳感器靈敏度差，所利用的熱對流速度還受到縱向加速度的影響，因此陀螺靈敏度與外界加速度有夫。
發明內容
(一 )要解決的技術問題本發明要解決的技術問題是提供一種穩定熱膨脹流或收縮流，並且減小外界加速度對陀螺靈敏度的影響。( ニ )技術方案為了解決上述技術問題，本發明提供ー種微型熱驅動氣流陀螺，其包括微腔體、三根加熱元件、兩對熱敏元件以及檢測電路和控制電路模塊；所述微腔體高度為100微米 1000微米；所述三根加熱元件和兩對熱敏元件懸固在微腔體的中部；所述三根加熱元件在所述微腔體中左右平行排列，依次間隔布置；相鄰兩根加熱元件之間均有ー對熱敏組件，每對熱敏組件對稱分布在微腔體的前後側；所述檢測電路和控制電路模塊包括檢測電路單元和控制電路單元，檢測電路單元與各熱敏元件相連，檢測熱敏元件溫度信號；控制電路單元，與各加熱元件相連，控制加熱元件加熱。其中，所述檢測電路單元包括位於相鄰兩根加熱元件之間的兩熱敏元件與兩參考電阻組成ー電阻電橋，每個電阻電橋中的兩熱敏元件和參考電阻之間節點與一級差動放大器的輸入端相連；兩個ー級差動放大器的輸出端與一個ニ級差動放大器的輸入端相連；所述ニ級差動放大器的輸出端與一個相敏解調器的輸入端相連；所述相敏解調器的輸出端與一個低通濾波器的輸入端相連；所述低通濾波器的輸出端與ー個直流放大器的輸入端相連，實現角速度測量。
其中，所述控制電路單元包括交流電信號發生器，其與所述三根加熱元件中位於中間的加熱元件相連且其驅動的交流電信號作用於中間的加熱元件，同時該交流電信號經移相180度後作用於所述三根加熱元件中左、右兩側的加熱元件。其中，所述交流電信號發生器驅動的交流電信號通過與交流電信號發生器相連的移相器進行移相調節，移相器與所述檢測電路單元中的相敏解調器相連，作為所述檢測電路單元中的相敏解調器的參考信號。其中，所述兩個一級差動放大器中其中一個的輸出端連接反相放大器，反相放大器的輸出端和另ー個一級差動放大器的輸出端分別與另一個ニ級差動放大器的輸入端相連；該另ー個ニ級差動放大器的輸出端與另ー個相敏解調器的輸入端相連；該另ー個相敏解調器的輸出端與另ー個低通濾波器的輸入端相連；該另ー個低通濾波器的輸出端與另ー個直流放大器的輸入端相連，實現加速度測量。其中，所述加速度測量另ー種方法為所述兩個一級差動放大器中其中一個的輸出端同時連接一個ニ選一選通開關的ー個輸入端和反相放大器輸入端，反相放大器的輸出端與所述ニ選一選通開關的另外一個輸入端相連，ニ選一選通開關的輸出端和另ー個ー級差動放大器的輸出端分別與ー個ニ級差動放大器的兩個輸入端相連；該ニ級差動放大器的輸出端與一個相敏解調器的輸入端相連；該相敏解調器的輸出端與一個低通濾波器的輸入端相連；該低通濾波器的輸出端與另ー個直流放大器的輸入端相連，ニ選ー選通開關由切換控制部分選擇，實現角速度和加速度的選擇性測量。本發明還提供了一種基於上述微型熱驅動氣流陀螺的製作方法，其過程為在基材上刻蝕出下腔體結構，然後將其置於密封管殼之內或者同樣採用刻蝕エ藝刻蝕上腔體結構,再通過鍵合エ藝粘貼上下基材,形成密封腔體。其中，在將下腔體置於密封管殼之內或者通過鍵合エ藝將兩塊基材粘貼前採用薄膜沉積技術在下腔體結構上製備懸固在密封腔體中部的加熱元件和熱敏元件。其中，所述基材為半導體矽材料或玻璃材料。其中，所述採用薄膜沉積技術製備的加熱元件和熱敏元件為Cr/Pt複合材料。(三)有益效果上述技術方案具有如下優點I、用於熱驅動的加熱元件設置有三個，分布於熱敏元件的左右兩側，通過交替加電可以實現交替的熱驅動，在兩兩加熱元件之間的區域內形成穩定的熱膨脹流，氣流可控性好。
2、通過設置微腔體高度為百微米量級，以抑制熱對流、増大熱膨脹/收縮流，由於熱膨脹/收縮流由熱驅動產生，不受外界加速度影響，從而大大減小加速度對傳感器靈敏度的影響。
圖I是本發明實施例中微型熱驅動氣流陀螺主剖視圖；圖2是圖I中A-A方向俯視剖面圖； 圖3是本發明實施例中一種檢測電路和控制電路模塊的原理圖；圖4是本發明實施例中另ー種檢測電路和控制電路模塊的原理圖。其中，I :第一熱敏元件；2 :第二熱敏元件；3 :第三熱敏元件；4 :第四熱敏元件；5 左加熱元件；6 :中間加熱元件；7 :右加熱元件；8 :矽片；9 :下腔體；10 :上腔體。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例，對本發明的具體實施方式
作進ー步詳細描述。以下實施例用於說明本發明，但不用來限制本發明的範圍。本實施例的一種微型熱驅動氣流陀螺的結構如圖I所示，圖2是圖I中的A-A方向俯視剖面圖，參照圖示，本實施例陀螺包括微腔體、三根加熱元件、兩對熱敏元件、檢測電路和控制電路模塊。具體地，微腔體由下腔體9和上腔體10組成，下腔體9和上腔體10均為在矽片8上採用體矽腐蝕技術蝕刻而成，將具有上腔體10或下腔體9結構的兩塊矽片8通過鍵合技術粘貼起來形成封閉腔體。下腔體9上設置有三根加熱元件和對稱分布的四個熱敏元件，加熱元件為電阻絲，熱敏元件為熱敏電阻，加熱元件和熱敏元件懸固在下腔體9上。加熱元件和熱敏元件採用薄膜沉積技術製備，所選材料為Cr/Pt複合材料。其中，三根加熱元件分別為圖I和圖2中所示的左加熱元件5、中間加熱元件6和右加熱元件7，四個熱敏元件分別為圖I和圖2中所示的第一熱敏元件I、第二熱敏元件2、第三熱敏元件3和第四熱敏元件4，左加熱元件
5、中間加熱元件6和右加熱元件7依次間隔布置，第一熱敏元件I和第二熱敏元件2在左加熱元件5和中間加熱元件6之間且前後對稱分布；第三熱敏元件3和第四熱敏元件4在中間加熱元件6和右加熱元件7之間且前後對稱分布。各加熱元件和熱敏元件在微腔體中的位置關係詳細可參見圖2所示。本實施例中的微型熱驅動氣流陀螺的工作原理是加熱元件受到電功率調製，進行交變加熱，中間加熱元件6分別與左加熱元件5和右加熱元件7的電信號相位差為180度，驅動左加熱元件5和右加熱元件7的電信號同相。由於交變加熱，在各加熱元件之間形成交變的溫度差，溫度差的變化造成氣體壓強的變化，驅動氣體呈現熱膨脹或收縮，氣體運動表現為沿X軸方向流動，中間加熱元件6左右兩側的流體運動方向相反，各加熱元件沿X軸方向依次間隔布置，Z軸方向為各加熱兀件的軸線方向，Y軸方向為垂直於X軸和Z軸所在平面的方向；當有沿Y軸方向的角速度作用吋，沿X軸方向流動的氣體將由於哥氏效應產生沿Z軸方向的哥氏加速度，氣流在哥氏加速度的作用下沿Z軸發生偏轉，中間加熱元件6左右兩側的氣流偏轉方向相反，使得第一熱敏元件I和第二熱敏元件2之間以及第四熱敏元件4和第三熱敏元件3之間產生相反的溫度差異，通過ニ級差動(即將第一熱敏元件I和第二熱敏元件2之間的ー級差動與第四熱敏元件4和第三熱敏元件3之間的另一個ー級差動相減)可以感測出由角速度造成的溫差，從而測量出角速度。如果將第一熱敏元件I和第二熱敏元件2之間的ー級差動與第四熱敏元件4和第三熱敏元件3之間的另一個ー級差動相加，可以感測出平行於加熱元件方向(即Z軸方向)的加速度。如果將第一熱敏元件I和第四熱敏元件4組成ー級差動，第二熱敏元件2和第三熱敏元件3組成另一個ー級差動，將這兩個ー級差動輸出後的信號相加，還可以感測出沿X軸方向的加速度。上述實施例還包括有檢測電路和控制電路模塊，其中包括檢測電路單元和控制電路單元，檢測電路和控制電路模塊的ー種實現方式的原理圖如圖3所示。圖3中，檢測電路單元具體結構為第一熱敏電阻Rtl串聯第一參考電阻R1，第二熱敏電阻Rt2串聯第二參考電阻R2，兩串聯線路並聯，組成第一電阻電橋BI，第一熱敏電阻Rtl和第二熱敏電阻Rt2之間的差動電阻信號通過分別連接該兩串聯線路的第一差動放大器Ul得到；第三熱敏電阻Rt3串聯第三參考電阻R3，第四熱敏電阻Rt4串聯第四參考電阻R4，兩串聯線路並聯，組成第二電阻電橋B2，第三熱敏電阻Rt3和第四熱敏電阻Rt4之間的差動電阻信號通過分別連接該兩串聯線路的第二差動放大器U2得到；第一熱敏電阻RU、 第二熱敏電阻Rt2的差動和第四熱敏電阻Rt4、第二熱敏電阻Rt3的差動之間的二次差動信號通過分別連接第一差動放大器Ul和第二差動放大器U2的第三差動放大器U3得到；經過與第三差動放大器U3相連的第一相敏解調器U4將陀螺信號(即角速度信號)從交變的熱源信號中解調出來，再經過與第一相敏解調器U4相連的第一低通濾波器U5消除信號中的高頻幹擾，由與第一低通濾波器U5相連的第一直流放大器U6將角速度信號放大並輸出。檢測電路單元中，第一差動放大器Ul和第二差動放大器U2的輸出信號經過相加還可以實現沿Z軸方向加速度的同步檢測。第一差動放大器Ul輸出信號,經過與第一差動放大器Ul相連的反相放大器U7反相後，與第二差動放大器U2輸出信號一起輸入分別與第二差動放大器U2和反相放大器U7相連的第三差動放大器U8 ;經過與第三差動放大器U8相連的第二相敏解調器U9將加速度信號從交變的熱源信號中解調出來，再經過與第二相敏解調器U9相連的第二低通濾波器UlO消除信號中的高頻幹擾，由與第二低通濾波器UlO相連的第二直流放大器Ull將加速度信號放大並輸出。圖3中控制電路包括交流電信號發生器U12驅動的交流電信號作用於與交流電信號發生器U12相連的第二加熱電阻Rh2，同時該交流電信號通過第二移相器U14移相180度後作用於分別與第二移相器U14相連的兩側的第一加熱電阻Rhl和第三加熱電阻Rh3，在第二加熱電阻Rh2、第一加熱電阻Rhl及第三加熱電阻Rh3之間產生交變的電加熱驅動。交流電信號還通過與交流電信號發生器U12相連的第一移相器U13進行移相調節，作為分別連接第一移相器U13的第一相敏解調器U4和第二相敏解調器U9的參考信號，以實現最大輸出。交流電信號發生器U12驅動的交流電信號可以是方波或正弦信號。此外，本實施例還提供了檢測電路和控制電路模塊的另一種實現方式的原理圖，如圖4所示，其中檢測電路單元具體結構為第一熱敏電阻Rtl串聯第一參考電阻R1，第二熱敏電阻Rt2串聯第二參考電阻R2，兩串聯線路並聯，組成第一電阻電橋BI，第一熱敏電阻Rtl和第二熱敏電阻Rt2之間的差動電阻信號通過分別連接該兩串聯線路的第一差動放大器Ul得到；第三熱敏電阻Rt3串聯第三參考電阻R3，第四熱敏電阻Rt4串聯第四參考電阻R4，兩串聯線路並聯，組成第二電阻電橋B2，第三熱敏電阻Rt3和第四熱敏電阻Rt4之間的差動電阻信號通過分別連接該兩串聯線路的第二差動放大器U2得到；第一差動放大器Ul輸出端一支連接ニ選ー選通開關Kl的一個輸入端,另ー支連接反相放大器U7輸入端；反相放大器U7輸出端連接ニ選ー選通開關Kl的另ー輸入端,ニ選ー選通開關Kl的控制輸入端與切換控制部分U15連接，切換控制部分U15選擇第一差動放大器Ul輸出端連通ニ選ー選通開關Kl輸出端時，檢測電路檢測角速度，切換控制部分U15選擇反相放大器U7輸出端連通ニ選ー選通開關Kl輸出端吋，檢測電路檢測加速度；ニ選ー選通開關Kl輸出信號和第四熱敏電阻Rt4、第三熱敏電阻Rt3的差動之間的二次差動信號通過分別連接ニ選ー選通開關Kl和第二差動放大器U2的第三差動放大器U3得到；經過與第三差動放大器U3相連的相敏解調器U4將陀螺信號(即角速度信號)或者加速度信號從交變的熱源信號中解調出來，再經過與相敏解調器U4相連的低通濾波器U5消除信號中的高頻幹擾，由與低通濾波器U5相連的直流放大器U6將角速度信號或者加速度信號放大並輸出。圖4中控制電路包括交流電信號發生器U12驅動的交流電信號作用於與交流電信號發生器U12相連的第二加熱電阻Rh2，同時該交流電信號通過第二移相器U14移相180度後作用於分別與第二移相器U14相連的兩側的第一加熱電阻Rhl和第三加熱電阻Rh3，在第二加熱電阻Rh2、第一加熱電阻Rhl及第三加熱電阻Rh3之間產生交變的電加熱驅動。交流電信號還通過與交流電信號發生器U12相連的第一移相器U13進行移相調節，作為連接移相器U13的相敏解調器U4的參考信號，以實現最大輸出。交流電信號發生器U12驅動的交流電信號可以是方波或正弦信號。本實施例微腔體的高度為百微米量級，可以抑制氣體的熱對流運動，從而大大減小縱向加速度對傳感器性能的影響；根據對傳感器性能的要求，可以在100微米 1000微米範圍內任意選擇，例如以上實施例中的微腔體高度可以為300微米、500微米或1000微米等尺寸。上述實施例中製作微腔體的材料還可以是其他半導體矽材料或玻璃材料，其製備方法與上述的下腔體9和上腔體10的形成方式相同，即在所選用基材上刻蝕出下腔體9結構，然後將其置於密封管殼之內，或者同樣採用刻蝕エ藝刻蝕上腔體10結構，再通過鍵合エ藝粘貼上下基材，形成密封腔體；在將下腔體9置於密封管殼之內或者通過鍵合エ藝將兩塊基材粘貼前，採用薄膜沉積技術在下腔體9結構上按照上述所描述的結構方式製備所述懸固在密封腔體中部的加熱元件和熱敏元件。由以上實施方式可以看出，本發明用於熱驅動的加熱元件設置有三個，分布於熱敏元件的左右兩側，通過交替加電可以實現交替的熱驅動，在兩兩加熱元件之間的區域內形成穩定的熱膨脹流，氣流可控性好；通過設置微腔體高度為百微米量級，以抑制熱對流、増大熱膨脹/收縮流，由於熱膨脹/收縮流由熱驅動產生，不受外界加速度影響，從而大大減小加速度對傳感器靈敏度的影響。以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明技術原理的前提下，還可以做出若干改進和替換，這些改進和替換也應視為本發明的保護範圍。權利要求
1.ー種微型熱驅動氣流陀螺，其特徵在於，包括微腔體、三根加熱元件、兩對熱敏元件以及檢測電路和控制電路模塊；所述微腔體高度為100微米 1000微米；所述三根加熱元件和兩對熱敏元件懸固在微腔體的中部；所述三根加熱元件在所述微腔體中左右平行排列，依次間隔布置；相鄰兩根加熱元件之間均有ー對熱敏組件，每對熱敏組件對稱分布在微腔體的前後側；所述檢測電路和控制電路模塊包括檢測電路單元和控制電路單元，檢測電路單元與各熱敏元件相連，檢測熱敏元件溫度信號；控制電路單元，與各加熱元件相連，控制加熱元件加熱。
2.如權利要求I所述的微型熱驅動氣流陀螺，其特徵在於，所述檢測電路單元包括位於相鄰兩根加熱元件之間的兩熱敏元件與兩參考電阻組成ー電阻電橋，每個電阻電橋中的兩熱敏元件和參考電阻之間節點與一級差動放大器的輸入端相連；兩個ー級差動放大器的輸出端與一個ニ級差動放大器的輸入端相連；所述ニ級差動放大器的輸出端與一個相敏解調器的輸入端相連；所述相敏解調器的輸出端與一個低通濾波器的輸入端相連；所述低通濾波器的輸出端與ー個直流放大器的輸入端相連，實現角速度測量。
3.如權利要求2所述的微型熱驅動氣流陀螺，其特徵在於，所述控制電路單元包括交 流電信號發生器，其與所述三根加熱元件中位於中間的加熱元件相連且其驅動的交流電信號作用於中間的加熱元件，同時該交流電信號經移相180度後作用於所述三根加熱元件中左、右兩側的加熱元件。
4.如權利要求3所述的微型熱驅動氣流陀螺，其特徵在於，所述交流電信號發生器驅動的交流電信號通過與交流電信號發生器相連的移相器進行移相調節，移相器與所述檢測電路單元中的相敏解調器相連，作為所述檢測電路單元中的相敏解調器的參考信號。
5.如權利要求2所述的微型熱驅動氣流陀螺，其特徵在幹，所述兩個一級差動放大器中其中一個的輸出端連接反相放大器，反相放大器的輸出端和另ー個一級差動放大器的輸出端分別與另一個ニ級差動放大器的兩個輸入端相連；該另ー個ニ級差動放大器的輸出端與另ー個相敏解調器的輸入端相連；該另ー個相敏解調器的輸出端與另ー個低通濾波器的輸入端相連；該另ー個低通濾波器的輸出端與另ー個直流放大器的輸入端相連，實現加速度測量。
6.如權利要求2所述的微型熱驅動氣流陀螺，其特徵在幹，所述兩個一級差動放大器中其中ー個的輸出端同時連接ー個ニ選一選通開關的ー個輸入端和反相放大器輸入端，反相放大器的輸出端與所述ニ選一選通開關的另外一個輸入端相連，ニ選ー選通開關的輸出端和另ー個一級差動放大器的輸出端分別與ー個ニ級差動放大器的兩個輸入端相連；該ニ級差動放大器的輸出端與一個相敏解調器的輸入端相連；該相敏解調器的輸出端與ー個低通濾波器的輸入端相連；該低通濾波器的輸出端與另ー個直流放大器的輸入端相連，ニ選一選通開關由切換控制部分選擇，實現角速度和加速度的選擇性測量。
7.基於權利要求I中微型熱驅動氣流陀螺的製作方法，其特徵在於，在基材上刻蝕出下腔體結構，然後將其置於密封管殼之內，或者同樣採用刻蝕エ藝刻蝕上腔體結構，再通過鍵合エ藝粘貼上下基材，形成密封腔體。
8.如權利要求7所述的製作方法，其特徵在於，在將下腔體置於密封管殼之內或者通過鍵合エ藝將兩塊基材粘貼前採用薄膜沉積技術在下腔體結構上製備懸固在密封腔體中部的加熱元件和熱敏元件。
9.如權利要求8所述的製作方法，其特徵在於，所述基材為半導體矽材料或玻璃材料。
10.如權利要求9所述的製作方法，其特徵在於，所述採用薄膜沉積技術製備的加熱元件和熱敏元件為Cr/Pt複合材料。
全文摘要
本發明涉及一種微型角速度傳感器，特別是涉及一種微型熱驅動氣流陀螺。本發明包括微腔體、三根加熱元件、兩對熱敏元件、檢測電路和控制電路模塊構成；微腔體高度為100微米～1000微米；加熱元件和熱敏元件懸固在微腔體的中部，加熱元件在微腔體中左右平行排列，相鄰兩根加熱元件之間均有一對熱敏元件，每對熱敏元件對稱分布在微腔體的前後側；檢測電路可檢測熱敏元件溫度信號；控制電路可控制加熱元件加熱。本發明微腔體中氣體熱膨脹流或收縮流穩定，氣流可控性好；有效抑制熱對流，減小外界加速度對傳感器靈敏度的影響。
文檔編號G01C19/58GK102645212SQ201210130318
公開日2012年8月22日 申請日期2012年4月27日 優先權日2012年4月27日
發明者丁衡高, 朱榮, 蔡嵩林 申請人:清華大學