CN100371716C - 微槽道流体角速率传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及的微槽道流体角速率传感器，包括一个封闭的腔体，腔体分上、下两部分，上腔体的顶部为周边固定支撑的驱动薄膜，下腔体由内槽、外环槽以及连通内外槽的两两对称分布的若干个通槽组成，各通槽为小内口和大外口结构；所说驱动薄膜上设置驱动元件；各通槽出口处分别对称设置一对热敏元件，以及与热敏元件相连的检测电路，检测电路的输出为角速率输出；本发明为具有结构简单、无活动质量块、基于微流体运动的微机电角速率传感器。
Description
技术领域
本发明属于微型测量仪器技术领域，特别涉及一种微槽道流体角速率传感器。
背景技术
微机电系统是指可以用微电子等批量加工工艺制造的集微机械与微电子等部件于一体的微系统，它可以分成多个独立的功能单元，输入的物理或化学信号由传感器转换为电信号，经过信号处理后，得到可被检测的电信号，并输出。微机电系统的特点有：体积小、重量轻、性能稳定、通过IC等工艺可批量生产、成本低、性能一致性好、功耗低、谐振频率高、响应时间短、综合集成度高、附加值高、具有多种能量转化、传输等功能。鉴于上述特性和优点，微机电系统自80年代中术期发展至今一直受到世界各发达国家的广泛重视，被认为是一项面向21世纪可以广泛应用的新兴技术。
沿垂直于敏感轴向作振动的加速度计能感知垂直于敏感轴和振动轴的第三轴的旋转角速率。利用该原理研制的惯性元件，称为角速率传感器。人们利用该原理，先后研制出了速率陀螺和速率积分陀螺，特别是采用微机电技术研制的微机械振动陀螺具有很大的发展前途。其结构主要是由活动的质量块附加振动装置及加速度检测装置组成。活动质量块沿某方向振动，振动的质量块能感受与振动方向垂直的角速率，并由此产生沿第三轴方向上的哥氏加速度，哥氏加速度的大小与作用在质量块上的角速度成正比，检测沿第三轴方向上的加速度就可求得角速度。该设计结构复杂，有机械活动部件，需要采用复杂的硅加工工艺，工艺难度较大，由此带来可靠性差，产品合格率低。
基于流体的角速度传感器以流体代替运动质量块，不仅可以简化传感结构，并可以极大地提高传感器的抗冲击能力。基于单向射流的角速度传感目前已经在宏观结构中得以实现，有相关专利(US5107707-A)，利用该传感结构进行角速度检测时，不能去除非哥氏效应的加速度信号的影响，在有加速度存在时使得检测无效。利用流体背向流动的角速度传感结构则可以通过差动处理消除非哥氏效应加速度的影响，基于该种原理的角速度传感器已有微型射流陀螺(专利号：ZL01119802.8)和微型热流陀螺(专利号：ZL01129700.X)两个专利。微型射流陀螺是利用小孔径管道连通三个封闭腔体，驱动中间腔体上的薄膜，使得在另外两个腔体中产生背向射流，通过检测射流的偏转反映角速度；微型热流陀螺是在一封闭腔体中利用热对流的原理实现流体的背向运动，通过检测热对流的偏转反映角速度。前种结构射流速度大，传感器灵敏度高，但结构复杂，制作难度大；后种结构简单，制作容易，但热对流速度较低，传感器灵敏度差。
发明内容
本发明的目的是为克服已有技术的不足，而提供一种微槽道流体角速率传感器，采用单腔、微槽道结构，使得结构简单，容易加工制作，此外流体速度可以通过槽道结构、薄膜驱动幅度和驱动频率得到较好的控制。
本发明的技术方案如下：
本发明提供的微槽道流体角速率传感器，包括一封闭的腔体，腔体分上腔体和下腔体两部分，上腔体的顶部为周边固定支撑的驱动薄膜，所述驱动薄膜上设置驱动驱动薄膜作上、下往复运动的驱动元件；下腔体内设环形基凸台，包括内槽、外环槽以及设在环形基凸台上相应位置处的连通内槽、外环槽的若干个通槽，所述若干个通槽为两两对称分布，通槽为小内口大外口结构，在每通槽的位于外环槽的出口处分别对称放置一对热敏元件，以及与热敏元件相连的检测电路；所述检测电路对每对热敏元件的信号进行一次差分，再对两两对称分布在通槽口上的热敏元件的一次差分信号进行二次差分，二次差分后的信号进行加权组合，而获得角速率输出。
所说的检测电路可包括：所述每对热敏元件中的两热敏元件串连后分别与串连的两参考电阻并联组成一电阻电桥，每个电阻电桥中的两热敏元件之间及两参考电阻之间分别与一次差动放大器相连；两个相对的一次差动放大器的输出端分别与一个二次差动放大器的输入端相连，所述两个相对的一次差动放大器是指与它们相连的电阻电桥中的两对热敏元件为位置相互对称的一次差动放大器；两个二次差动放大器的输出端与一个三次差动放大器相连，如此构成多级放大差动电路；最末级差动放大器的输出端与一个相敏解调器的输入端相连，该相敏解调器的输出端与一个低通滤波器的输入端相连，该低通滤波器的输出端与一个直流放大器的输入端相连，该直流放大器的输出即为角速率输出。
本发明所述的结构为由一个上腔体3和一个下腔体19组成的封闭腔，上腔体基片1上有上腔体3，上腔体3的上端为周边固定支撑的驱动薄膜4，所述驱动薄膜上设置驱动驱动薄膜作上、下往复运动的驱动元件；下腔体基片2上有下腔体19，其中间设有基凸台5的槽结构和设在环形基凸台5上相应位置处的连通内槽、外环槽的若干个通槽22、23、24、25，在外环槽6的每通槽出口处分别设置一对热敏元件(图中热敏元件10和11，热敏元件12和13，热敏元件14和15，热敏元件16和17)，并将这两块已经具有结构的基片粘贴起来，形成封闭的腔体。
本发明的技术特点在于：驱动薄膜周期性振动，由于驱动薄膜周边固定支撑，驱动薄膜中心点振动位移最大，从中心点往周边，位移逐渐减小直到零。驱动薄膜的振动带动封闭腔体中的气体向下和向上往复运动，气体除上下运动外，还产生由中心向周边的发散和收缩运动。下腔体19的槽结构对气体的发散和收缩起引导作用，使气体沿各通槽(如图中的通槽22、23、24以及25)产生相对较大的流动速度。
用气流作为敏感载体，省去了活动质量块，结构简单，由于没有活动的质量块，它具有大量程和耐冲击的特点；该发明的技术特点还在于通过热敏元件的对称放置和后续的信号处理可消除陀螺效应之外的其它加速度的影响，并可提高测量灵敏度。
附图说明
图1为本发明的微槽道流体角速率传感器(实施例)的纵剖面结构示意图；
图2为图1的A-A剖视图(也是下腔体的结构示意图)；
图3为本发明的检测电路原理图。
其中：上腔体基片1 上腔体基片2 上腔体3
下腔体19 驱动薄膜4 驱动元件18
基凸台5 外环槽6 内槽7
通槽22、23、24、25
通槽25的内口槽8 通槽25的外口槽9
热敏元件10、11、12、13、14、15、16、17 电源26
参考电阻27、28、29、30
一次差动放大器31、32、33、34 二次差动放大器35、36
三次差动放大器37 相敏解调器38 低通滤波器39
直流放大器40 输出41
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
本发明提供的微槽道流体角速率传感器实施例，其结构及工作原理结合上述各附图详细说明如下：
本发明采用的材料和加工方法不限，本实施例选用半导体硅材料和玻璃材料，主要采用半导体平面工艺、正面体硅工艺、硅-硅(或硅-玻璃)键合工艺制作，可分别在两块半导体硅基片(或一块硅片和一块玻璃)上采用腐蚀技术蚀刻出相应的结构。其结构如图1和图2所示，由一个上腔体3和一个下腔体19组成的封闭腔；所述的上腔体3的上端为周边固定支撑的驱动薄膜4；所述的下腔体19内设一环形基凸台5，具有内槽7和外环槽6；在环形基凸台5的相应位置处分别设有若干个通槽(如图2中的22、23、24和25)连通内槽7和外环槽6，所述的若干个通槽两两对称分布，本实施例选用2对4个通槽；每一通槽的出口处分别对称设置一对热敏元件，热敏元件可采用热敏电阻丝或热电偶等热传感器，本实施例选用热敏电阻丝(图2中的对称放置的一对热敏电阻丝10和11，一对热敏电阻丝12和13，一对热敏电阻丝14和15以及一对热敏电阻丝16和17)；分别在硅片1和硅片(或玻璃)2上采用体硅腐蚀技术蚀刻出上述上、下腔体结构，再将这两块上、下腔体结构通过键合技术粘贴起来，便形成本发明的微槽道流体角速率传感器结构。其上腔体3的上壁制作成周边固定支撑的驱动薄膜4，配以驱动元件18，使驱动薄膜4产生周期性的振动。驱动薄膜4带动腔体内气体作上、下运动，驱动薄膜向下挤压气体时，腔中气体除向下运动外还同时呈射线状向外膨胀；驱动薄膜向上运动时，腔中气体除向上运动外还同时呈射线状向内收缩。腔中气体这种向外膨胀和向内收缩效应使得绝大部分气体沿下腔体中的各通槽22、23、24、25快速流动，各通槽均设计成小内口(如图2中的8所示)和大外口(如图2中的9所示)结构，既提高了气体在通槽中的流动速度，又使在外环槽6的出流和进流具有较稳定的状态。在外环槽内的4个通槽口分别以通槽的纵轴为对称轴，对称安置8根(4对)热敏电阻丝用以检测当地的气体流动。
现以驱动薄膜4周期振动中的下压半周期为例，说明本发明的微槽道流体角速率传感器的工作机理如下：
驱动薄膜4的下压导致腔体内的气体向下运动，气体在下腔体19中从内槽7沿各通槽22、23、24、25向外环槽6流动。当存在绕Z轴方向的角速度ω时，各通槽在外环槽6的出流存在切向加速度(对通槽22、24槽道为沿X方向的加速度，对通槽23、25槽道为沿Y方向的加速度)：
a1＝a0+a0′+2ωV 22、25槽道出流的切向加速度
a2＝a0+a0′-2ωV 23、24槽道出流的切向加速度
其中a0为沿切向的牵连加速度，a0′为切向相对加速度，a0和a0′均称为非哥氏加速度，V为出流速度，等式右边第三项2ωV为哥氏加速度。出流在加速度的作用下沿切向发生偏转，使得对称放置的4对热敏元件的电阻产生变化。设热敏电阻10、11、12、13、14、15、16、17上测得的电阻分别为T10、T11、T12、T13、T14、T15、T16、T17。以下为信号处理方法：
第一步：测得通槽22和25上的电阻差和ΔT1＝b1·(T10-T11)+b2·(T16-T17)，和通槽23槽道和24上的电阻差和ΔT2＝b3·(T14-T15)+b4·(T12-T13)，其中b1、b2、b3和b4为加权常数；
第二步：电阻差ΔT1与加速度a1成正比，即
ΔT1＝K·a1
电阻差ΔT2与加速度a2成正比，即
ΔT2＝K·a2
将两电阻差和再取差，得：
ΔT2-ΔT1＝K·(a2-a1)＝K·4ωV＝K′ωV，消除了非哥氏加速度，只留下了与角速度有关的哥氏加速度。由于K′为预知常数(可以通过标定获得)，V为可控、可测的出流速度，因而待测角速度ω为
本发明实施例的检测电路组成及原理结合图3说明如下：
两热敏电阻10和11与两参考电阻27组成电阻电桥，10与11之间的差动电阻信号通过一次差动放大器31得到；两热敏电阻12和13与两参考电阻28组成电阻电桥，12与13之间的差动电阻信号通过一次差动放大器32得到；两热敏电阻16和17与两参考电阻29组成电阻电桥，16与17之间的差动电阻信号通过一次差动放大器33得到；两热敏电阻14和15与两参考电阻30组成电阻电桥，14与15之间的差动电阻信号通过一次差动放大器34得到；两个相对位置的热敏电阻10和11的差动和12、13的差动之间的二次差动信号通过差动放大器35得到；两个相对位置的热敏电阻16、17的差动和14、15的差动之间的二次差动信号通过差动放大器36得到；两个二次差动信号之间的三次差动信号通过差动放大器37得到；三次差动后的信号经过相敏解调器38将传感器信号(即角速率信号)从交变的振动源信号中解调出来，再经过低通滤波器39消除信号中的高频干扰，由直流放大器40将信号放大并输出，其输出即为角速率输出。
Claims (2)
1.一种微槽道流体角速率传感器，其特征在于，包括一个封闭的腔体，腔体分上、下两部分，上腔体的顶部为周边固定支撑的驱动薄膜，所述驱动薄膜上设置驱动驱动薄膜作上、下往复运动的驱动元件；下腔体内设环形基凸台，包括内槽、外环槽以及设在环形基凸台之上相应位置处的连通内槽、外环槽的若干个通槽，所述的若干个通槽为两两对称分布，通槽为小内口和大外口结构；在每一通槽的位于外环槽的出口处分别对称放置一对热敏元件，以及与热敏元件相连的检测电路；所述检测电路对每对热敏元件的信号进行一次差分，再对两两对称分布在通槽口上的热敏元件的一次差分信号进行二次差分，二次差分后的信号进行加权组合，而获得角速率输出。
2.按权利要求1所述的微槽道流体角速率传感器，其特征在于，所述的检测电路包括：所述每对热敏元件中的两热敏元件串连后分别与串连的两参考电阻并联组成一电阻电桥，每个电阻电桥中的两热敏元件之间及两参考电阻之间分别与一次差动放大器相连；两个相对的一次差动放大器的输出端分别与一个二次差动放大器的输入端相连，所述两个相对的一次差动放大器是指与它们相连的电阻电桥中的两对热敏元件为位置相互对称的一次差动放大器；两个二次差动放大器的输出端与一个三次差动放大器相连，如此构成多级放大差动电路；最末级差动放大器的输出端与一个相敏解调器的输入端相连，该相敏解调器的输出端与一个低通滤波器的输入端相连，该低通滤波器的输出端与一个直流放大器的输入端相连，该直流放大器的输出即为角速率输出。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20080227 Termination date: 20151125 |